[实用新型]一种激光加热定向凝固装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工工程领域，具体是一种可实现高熔点材料定向凝固的装置。

背景技术

定向凝固方法在材料组织、性能研究中，以及先进材料制备技术中都占有很高地位。可以将工业生产中复杂的凝固现象抽象出来，通过可控的参数诸如温度梯度、凝固速率等定量描述材料的凝固行为，为人们深刻认识材料的组织形成及组织与性能的关系创造了条件。另外，定向凝固也是现在先进材料的制备方法中重要的环节，例如单晶高温合金、单晶半导体材料、离子导体、非线性光学元件等材料的制备都要经过定向凝固过程。

传统的定向凝固方法包括坩埚下降法及提拉法等。坩埚下降法定向凝固装置由坩埚、环形发热体、抽拉系统组成。发热体固定，抽拉系统安装发热体下方，坩埚置于环形发热体中，放置于抽拉系统上方，工作时通过将坩埚拉出环形发热体产生的热区实现定向凝固。提拉法定向凝固装置包括坩埚、籽晶及提拉系统组成。坩埚固定，籽晶装在提拉系统下方，与提拉系统一起装在坩埚上方。工作时先使籽晶接触到坩埚中的熔体，随后缓慢旋转并提拉籽晶从而实现定向凝固。以上两种定向凝固装置温度梯度均在10K/cm左右，温度梯度不足，凝固速率缓慢。

区熔定向凝固的温度梯度普遍高于其他装置。感应区熔定向凝固装置主要由单匝线圈和抽拉系统组成。将预制体放在单匝水冷线圈中间，在线圈中通入高频交变电流，使得预制体局部产生强烈涡流生热，使预制体区熔，熔区依靠金属液表面张力以及电磁力与重力相平衡，维持稳定的形状，并通过预制体与线圈的相对移动实现预制体定向凝固。其温度梯度在60～150K/cm，温度梯度不足，凝固速率缓慢，无法直接对不导电高熔点材料实现定向凝固。

电子束悬浮区熔装置主要有电子枪及抽拉系统组成。以高速电子的轰击加热预制体使其区熔，并通过预制体与电子枪的相对移动实现预制体定向凝固。其温度梯度为350～500K/cm，温度梯度不足，凝固速率缓慢，无法直接对不导电高熔点材料实现定向凝固。

激光悬浮区熔定向凝固装置由激光器和抽拉系统组成，抽拉系统的轴线竖直，激光器产生的激光束垂直相交于抽拉系统轴线。其温度梯度可达10⁴K/cm，在物质凝固行为研究中，界面形貌是至关重要的信息。传统的激光区熔方法中，由于最后阶段激光关闭后熔区的凝固速率由物质的导热系数决定，所以对于导热系数低的物质来说，熔区的凝固速率就相对较低，导致熔区内的组织与预制体中定向凝固组织差别不大，界面形貌很难被“冻结”。

区域熔化液态金属冷却定向凝固装置主要包括发热体、抽拉系统及液态金属冷却系统，该装置将作为冷却介质的液态金属置于预制体熔区下方并尽量靠近熔区底部，充分发挥过热度对温度梯度的贡献，提高预制体固相散热能力从而提高了固液界面前沿温度梯度，温度梯度可达1300K/cm，无法直接对不导电高熔点材料实现定向凝固。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室在公开号为CN101797639A的发明专利中公开了一种局部强化电阻加热高梯度定向凝固装置，其结构主要包括钨桶、钽环、镓铟锡合金及抽拉系统。钨桶、钽环、镓铟锡合金分别由上至下固定并同轴，预制体装在抽拉系统上，可以在钨桶、钽环、镓铟锡合金中上下移动。温度梯度不足，凝固速率缓慢，无法直接对不导电高熔点材料实现定向凝固。

发明内容

为克服现有技术中存在的加热能力不足的缺陷，本发明提出了一种激光加热定向凝固装置。

本发明提出的激光加热定向凝固装置包括真空室、冷却水筒、有气缸的抽拉系统、定位螺栓、底板和密封圈，其特征在于，还包括激光器和作为冷却介质的液态镓铟锡合金；在真空室的侧壁上安装有平透镜；液态镓铟锡合金位于冷却水筒内腔；熔区的下表面与液态镓铟锡合金液面之间的距离为1～5mm。激光器位于真空室一侧。

所述的冷却水筒为由内壳体和外壳体组成的双层圆筒，并由双层圆筒分别组成了冷却水筒的外筒和内筒。冷却水筒内壳体和外壳体之间的环形空间形成了外筒，并且该外筒为封闭的腔体，形成了循环冷却水的循环通路。冷却水筒内壳体所围成的内孔构成了贯通的内筒。

所述的平透镜位于冷却水筒的容器上方，并且平透镜的轴线垂直于位于两个夹头之间的预制体的轴线。