本發(fā)明涉及高純度難熔金屬的熔煉技術(shù)，尤其涉及一種電子束懸浮區(qū)域熔爐及熔煉方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，航空、航天、軍工、核能和生物工程等許多高技術(shù)領(lǐng)域及相關(guān)裝備制造業(yè)和自動控制業(yè)技術(shù)也快速進步，高純度難熔金屬以及其合金單晶材料因其本身優(yōu)越的物理及化學(xué)性能、力學(xué)性能也越來越受科技術(shù)人員關(guān)注。國內(nèi)外的諸多研究機構(gòu)也對這種高純難熔及合金單晶結(jié)構(gòu)材料的制備方法做出很大的投入。

電子束熔煉技術(shù)的主要工作原理是電子槍(陰極)通過加熱發(fā)射的電子在高壓靜電場的加速下形成高能電子束，電子束通過聚焦后轟擊要熔煉的金屬，使高熔點金屬熔化。一般的電子束熔煉設(shè)備(如一種電子束熔煉爐)包括電子束熔煉爐本體(含電子槍、爐體、坩堝以及冷卻機構(gòu))及配套的輔助設(shè)施(真空系統(tǒng)、高壓電源和低壓電源)和操作系統(tǒng)等。真空系統(tǒng)為電子束熔煉爐提供真空工作環(huán)境；高壓電源為電子槍發(fā)射出的電子提供加速電壓和對陰極塊的轟擊電壓等；低壓電源主要是用來對聚焦、偏轉(zhuǎn)和掃描線圈提供電流，進而用來控制電子槍發(fā)射出的電子,使之能夠按設(shè)計的工藝要求準確轟擊到被熔化的料棒。

但目前的電子束熔煉爐爐體的電子槍設(shè)置都是采用固定方式，對一些高純難熔及合金單晶結(jié)構(gòu)材料的熔煉效果不佳；且現(xiàn)電子束熔煉的方法一般是將待處理的金屬先熔化，盛置在坩堝中，在重組得到新性能材料(提純并制成單晶材料)的料棒，在這些過程中，易存在坩堝被污染問題，導(dǎo)致熔煉后得到的最終產(chǎn)品純度達不到要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是提供一種加熱效率高的電子束懸浮區(qū)域熔爐，利用該設(shè)備可以制備高純難熔及合金單晶結(jié)構(gòu)材料。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計方案：

一種電子束懸浮區(qū)域熔爐，包括有一爐體及配設(shè)的充氬氣快冷系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)及高真空機組；

所述的爐體由上爐室與下爐室組成；其中，下爐室固定在爐體機座上，上爐室配設(shè)有可將其進行提拉及下放的上爐室提升機構(gòu)，工作狀態(tài)時，上爐室與下爐室縱向密封對接；

在爐體內(nèi)的工作區(qū)域，固定安裝有用于固定料棒的裝料固定裝置；

在爐體內(nèi)設(shè)有一環(huán)形電子槍，其所設(shè)位置可使裝料固定裝置所夾持的料棒沿其中軸線穿過。

所述電子束懸浮區(qū)域熔爐中，為環(huán)形電子槍配設(shè)電子槍移動系統(tǒng)，該電子槍移動系統(tǒng)采用伺服電動缸傳動并帶有水冷系統(tǒng)。

所述電子束懸浮區(qū)域熔爐中，所述裝料固定裝置包括上裝料機構(gòu)和下裝料機構(gòu)，兩者相向的兩個頭端分別帶有用于夾持固定料棒的夾頭。

所述電子束懸浮區(qū)域熔爐中，配設(shè)一可帶動下裝料機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的物料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。

所述電子束懸浮區(qū)域熔爐中，所述的上爐室配有觀察窗，該觀察窗由外至內(nèi)依次安設(shè)防護玻璃、密封玻璃和一組反射玻璃。

所述電子束懸浮區(qū)域熔爐中，所述一組反射玻璃傾斜設(shè)置，且該組的反射玻璃彼此是平行的。

所述電子束懸浮區(qū)域熔爐中，為上、下裝料機構(gòu)配設(shè)一對中機構(gòu)，包括有一偏心法蘭和一調(diào)整固定法蘭，偏心法蘭和調(diào)整固定法蘭呈球面且非 同心相對接；上裝料機構(gòu)帶有外凸結(jié)構(gòu)以卡座于偏心法蘭之上，兩者同心設(shè)置；上裝料機構(gòu)與調(diào)整固定法蘭固定連接。

所述電子束懸浮區(qū)域熔爐中，還具有下述的結(jié)構(gòu)之一：

1)所述上爐室提升機構(gòu)通過左右兩個導(dǎo)向立柱穿爐體機架而過并與之固定；

2)配設(shè)有用于對所述電子束懸浮區(qū)域熔爐實現(xiàn)電控的人機操作面板；

3)上爐室含高真空抽口。

本發(fā)明的另一目的是提供一種電子束懸浮區(qū)熔煉的方法，利用該方法不僅可以簡化熔煉過程，且熔煉后得到的產(chǎn)品純度會更高。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計方案：

一種電子束懸浮區(qū)域熔煉方法，具有上述的電子束懸浮區(qū)域熔爐，其熔煉方法的具體步驟如下：

a)首先通過上爐室提升機構(gòu)將上爐室抬高至合理位置并鎖定，保證爐膛敞開；

b)根據(jù)預(yù)加工料棒的長度調(diào)整上裝料機構(gòu)下端部與下裝料機構(gòu)上端部之間的距離，使其與料棒長度吻合，同時將料棒兩端分別用上、下裝料機構(gòu)端部的夾頭固定；

c)釋放上爐室提升機構(gòu)，降落上爐室并與下爐室密封鎖合，完成上料；

d)待水冷卻系統(tǒng)運行正常，通過人機操作面板啟動高真空機組以達到要求的真空度；

e)控制高、低壓電源系統(tǒng)，開啟環(huán)形電子槍；

f)控制伺服電動缸，調(diào)整槍移動機構(gòu)，使環(huán)形電子槍所設(shè)位置處于料棒最底端的平面上，按設(shè)定的速度向上勻速移動；

g)控制伺服電機帶動物料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度，勻速旋轉(zhuǎn)料棒，直到 滿足一次熔煉要求；

h)結(jié)束熔煉，或轉(zhuǎn)入步驟a進行下一次的熔煉。

所述電子束懸浮區(qū)域熔煉方法中，還具有下述的特征方法：所述步驟b中，上、下裝料機構(gòu)端部的夾頭對正同心采用偏心圓對中找正方法，若上、下裝料機構(gòu)出現(xiàn)偏心狀態(tài)，通過對偏心法蘭的圓周向調(diào)整，對其中心位置偏差進行糾正。

本發(fā)明電子束懸浮區(qū)域熔煉方法是制備高純難熔及合金單晶結(jié)構(gòu)材料的典型方法。此法實質(zhì)是在高真空環(huán)境下，原料棒在高能熱量的作用下實現(xiàn)狹小區(qū)域熔化的效果，熔區(qū)內(nèi)物料則借助于其液態(tài)表面張力保持在料棒中間，同時在同一方向沿軸向緩緩移動，在整個復(fù)雜的物理化學(xué)過程中，氣體析出、雜質(zhì)蒸發(fā)并生成單晶，從而達到熔煉效果。電子束懸浮區(qū)域熔煉爐為專用制備高純金屬及單晶設(shè)備，利用此設(shè)備可以在高真空的條件下,將鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、鋯、鉿等難熔、活性金屬等加以提純并拉制成單晶,還可以將al2o3、寶石、陶瓷等絕緣材料加溫脫氣等。該設(shè)備通過環(huán)形電子槍從陰極發(fā)射的電子在電位分布作用下，通過聚集和加速過程將電子束轟擊到夾持的原料棒上，在高熱能轉(zhuǎn)換作用下使料棒轟擊區(qū)域升溫熔化。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1.電子槍采用環(huán)形槍,避免了燈絲與物料的直接面向，可以消除熔化過程中物料產(chǎn)生的飛濺物對燈絲的污染，延長了燈絲的壽命；并同時配備電子槍移動系統(tǒng)，較其他傳動方式，具有設(shè)計新穎精致、體積小、精度高、完全同步、自鎖性能好、衛(wèi)生等優(yōu)點；

2.本發(fā)明中還配備物料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，可以在熔煉時保證物料的均勻熔煉和晶體正常生長；

3.由于本發(fā)明的環(huán)形電子槍電子束掃描寬度，較電阻加熱區(qū)域小的多，熔區(qū)與待熔煉區(qū)域的溫度梯度明顯，在電子槍上下移動的過程中，任一熔化區(qū)域的熔液形態(tài)更易受其表面張力的作用控制，故加熱效率高，溫度梯度易于控制；

4.不用配備坩堝，因而無坩堝污染的問題存在，還有效節(jié)省設(shè)備的空間和制作成本；

附圖說明

圖1為本發(fā)明電子束懸浮區(qū)域熔爐結(jié)構(gòu)示意圖(主視圖)。

圖2為本發(fā)明電子束懸浮區(qū)域熔爐結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視圖)。

圖3為本發(fā)明觀察窗結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明裝料固定裝置部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-上爐室；2-真空觀察窗；3-充氬氣冷卻系統(tǒng)；4-上裝料機構(gòu)；5-料棒；6-環(huán)形電子槍；7-下裝料機構(gòu)；8-下爐室；9-物料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；10-伺服電機；11-伺服電動缸；12-爐體機座；13-槍移動機構(gòu)；14-上爐室提升機構(gòu)；15-人機操作面板；16-高真空機組；17-偏心法蘭；18-調(diào)整固定法蘭；201-防護玻璃；202-密封玻璃；203-反射玻璃。

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明。

具體實施方式

參見圖1和圖2所示，本發(fā)明電子束懸浮區(qū)域熔爐采用立式結(jié)構(gòu)，主要包括有包括爐體機座，上爐室，下爐室，上爐室提升機構(gòu)，上裝料機構(gòu)，下裝料機構(gòu)，環(huán)形電子槍，槍移動機構(gòu)，物料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，高真空機組，真空觀察窗，人機操控面板，充氬氣冷卻系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)。其中槍移動機構(gòu)參用伺服電動缸驅(qū)動，物料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動，在相應(yīng)的伺服控制器作用下，通過人機操控臺的控制實現(xiàn)精確動作，獲得完整性能的晶體材料。

本發(fā)明的爐體是由上爐室與下爐室組成，均采用雙層水冷焊接結(jié)構(gòu)，以減少在熔煉時高溫產(chǎn)生的變形及焊漏問題。爐體機座12與基礎(chǔ)固定，下爐室8固定于爐體機座12上，上爐室提升機構(gòu)14通過左右兩個導(dǎo)向立柱穿爐體機架而過并與之固定。上爐室提升機構(gòu)可將上爐室進行提拉及下放，工作狀態(tài)時，上爐室與下爐室縱向密封對接。上爐室提升機構(gòu)14實則為熔室開閉機構(gòu)；為了便于裝料及開爐操作，通過滑輪與鋼絲機構(gòu)外加配重，吊裝上爐室1，且提升機構(gòu)左右立柱分別設(shè)有滑行軌道及導(dǎo)向輪，且終末位置均有機械限位，以此保證爐室開閉的靈活，輕變，平穩(wěn)。

上爐室含高真空抽口及真空觀察窗2，并配設(shè)快速充氬冷卻系統(tǒng)3。

本發(fā)明的真空觀察窗2是依光線反射原理設(shè)計光路，且觀察窗做成迷宮式的,以減少機械變形,能耐450℃的烘烤,參見圖3所示，該觀察窗由外至內(nèi)依次安設(shè)防護玻璃201(鉛玻璃防護屏)、密封玻璃202和一組反射玻璃203，一組的反射玻璃203傾斜設(shè)置，且該組的反射玻璃203(本實施例中采用2塊)彼此是平行的。所述的防護玻璃201(采用鉛玻璃防護屏為佳)，可以消除了高壓產(chǎn)生的x射線對人體的傷害。反射玻璃的作用：設(shè)備在高溫熔煉過程中會產(chǎn)生液氣態(tài)熔物的濺射，有可能會對觀察窗造成凝結(jié)涂層，普通觀察窗會導(dǎo)致觀察窗失效，無法監(jiān)測內(nèi)部熔煉狀態(tài)；采用一組反射玻璃后，入射角度與玻璃成一定角度，既使在單層玻璃被鍍后，也可以通過光線反射原理，將熔煉狀態(tài)通過另一面反射鏡反射入人眼，同時也可濾去強光，保護眼睛。窗上裝有可調(diào)的玻璃擋板,保證在整個熔煉過程中能夠清楚的觀察物料。這種真空觀察窗2的設(shè)計，可以保證爐室內(nèi)部出現(xiàn)玻璃表層熔鍍后仍正常工作。

本發(fā)明的裝料固定裝置分別由上裝料機構(gòu)4、下裝料機構(gòu)7組成，料棒5通過上、下裝料機構(gòu)的夾頭夾持固定；在上爐室1關(guān)閉后，上、下裝料機構(gòu)均處于真空熔煉室內(nèi)，其內(nèi)部均通水循環(huán)冷卻；上裝料機構(gòu)4安裝于下裝料機構(gòu)7機械架上，依據(jù)料棒長度上下調(diào)整；上下夾頭對正同心采用 偏心圓對中找正技術(shù)，參見圖4所示，在上裝料機構(gòu)上配裝有偏心法蘭17和調(diào)整固定法蘭18，偏心法蘭17與調(diào)整固定法蘭18呈球面相接，其中心線處于偏心狀態(tài)，其中偏心法蘭上端安裝上裝料機構(gòu)(本實施例中，上裝料機構(gòu)帶有外凸結(jié)構(gòu)以卡座于偏心法蘭之上)，兩者同心設(shè)置，位置關(guān)系一致；上裝料機構(gòu)4與調(diào)整固定法蘭18固定連接。若上下裝料機構(gòu)出現(xiàn)偏心狀態(tài)，通過對偏心法蘭的圓周向調(diào)整，可在一定范圍內(nèi)對其中心位置偏差進行糾正，從而解決裝料固定裝置上下夾頭不同軸的問題，避免了在料棒旋轉(zhuǎn)過程中引起的卡料、物料不成形、物料損壞和設(shè)備損壞等現(xiàn)象。

本發(fā)明的電子槍6采用自加速式環(huán)形槍,環(huán)形陰極由無氧銅制成,水冷并接地。由燈絲產(chǎn)生的電子靠柵極和陽極產(chǎn)生的電位分布使之偏轉(zhuǎn)、聚焦和加速，通過陰極窄縫轟擊在物料上。這種槍的結(jié)構(gòu)避免了燈絲與物料的直接面向，消除了熔化過程中物料產(chǎn)生的飛濺物對燈絲的污染，延長了燈絲的壽命。調(diào)整環(huán)形陽極窄縫尺寸，可改變?nèi)蹍^(qū)寬度，這樣有利于熔煉直徑大、熔體表面張力小的材料。本實施例中，該環(huán)形電子槍6所設(shè)的位置可使裝料固定裝置所夾持的料棒5沿其中軸線穿過。

本發(fā)明中，配備了電子槍移動系統(tǒng)13，由帶有水冷系統(tǒng)，采用伺服電動缸傳動，具有高精度，運動平穩(wěn)，低噪音，且操作維護簡單等優(yōu)點。電子槍能作上下運動，最大行程為500mm；移動速度控制在：0.5mm/min～50mm/min，且速度可調(diào)，通常工作在2mm/min左右。該機構(gòu)為新型直線執(zhí)行機構(gòu)，較其他傳動方式，具有設(shè)計新穎精致、體積小、精度高、完全同步、自鎖性能好、衛(wèi)生等優(yōu)點。

本發(fā)明中還配備物料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)9，由伺服電機10直接驅(qū)動。在熔煉時保證了物料的均勻熔煉和晶體正常生長，以滿足熔煉的最佳效果。棒料5的轉(zhuǎn)速1～20轉(zhuǎn)/分，速度可調(diào)，通常在2～3轉(zhuǎn)/分運行。

本發(fā)明的水冷系統(tǒng)采用一路一控，即每一路水都配有開關(guān)閥門、流量調(diào)節(jié)閥，溫度計等裝置，并在電子槍及物料裝置處設(shè)置流量計進行流量報 警及連鎖監(jiān)控，以此達到更好的冷卻效果。

本發(fā)明中的電控技術(shù)屬于現(xiàn)有技術(shù)可實現(xiàn)，此處不贅述。

本發(fā)明工作過程為將原料棒通過上下夾料裝備固定，是根據(jù)環(huán)形電子槍從陰極發(fā)射的電子被陰極和陽極產(chǎn)生的電位分布偏轉(zhuǎn)、聚焦和加速，通過陽極的窄縫轟擊到物料上，由于電子的轟擊結(jié)果，在料棒的局部集中了很大的能量而升溫熔化，已熔物料在自身表面張力作用下形成熔煉區(qū)域，實現(xiàn)了對高溫難熔物料的提純和晶體的生成效果。整個熔煉過程具有加熱效率高、溫度梯度易于控制、無坩堝污染的優(yōu)點，在目前行業(yè)內(nèi)及未來有很大的發(fā)展勢能。

上述各實施例可在不脫離本發(fā)明的范圍下加以若干變化，故以上的說明所包含應(yīng)視為例示性，而非用以限制本發(fā)明申請專利的保護范圍。