[实用新型]一种用于激光悬浮区熔定向凝固的装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工工程领域，具体是一种激光悬浮区熔定向凝固的装置及定向凝固方法。

背景技术

采取高能束进行区熔定向凝固的各种技术由于具有熔炼温度高、温度梯度高、凝固速率控制精度高、材料和环境适应性广泛、无污染等特点，现已受到国外众多学者的高度重视。区熔定向凝固过程中的固液界面前沿温度场平直是获得均匀组织的前提条件，否则所得预制体的组织及力学性能在宏观上就会出现大范围不一致，给实验结果分析以及材料应用造成极大障碍。例如在激光水平区熔试验中，等温面形状不是垂直于凝固方向的平面，而是曲面，熔区温度由熔区表面到底部逐渐降低。这就致使预制体从顶部到底部的凝固速率不同，所得组织也不同，其力学性能也有长程变化，随后的组织及性能分析就很难与凝固条件相匹配。所以各国学者及工程技术人员都在寻找能够使温场均匀且平直的方法。

目前国内激光定向凝固装置主要是激光水平区熔装置，由激光器、镜片组及数控机床组成。由镜片组将激光器发出的激光束引至水平放置的数控机床上方，对水平放置在机床上的试样进行区熔定向凝固。此装置无法保证等温面平直。

可见光悬浮区熔法可熔化较大尺寸的预制体，由高功率(＞1KW)卤素灯(如氙灯)发出的光束经镜面反射后聚焦到试棒表面，试棒向下抽拉实现定向凝固，与此同时，试棒还需旋转以改善加热的均匀性。为了提高激光加热的效率并解决激光悬浮区熔功率密度集中带来的预制体应力问题，将试棒在同一位置通过红外预热或可见光预热，得到加热后的预制体。

激光基座法定向凝固设备需要将两束等功率激光由两个侧上方向聚焦于预制体上表面，由于上下两套抽拉装置的速率不同，即生长纤维速率与进料速率不同，从而生产纤维。

美国NASA格林实验室的Sayir等人利用两个高速旋转的凸轮状反射镜，实现了激光束在预制体表面的高速循环扫描，从而保证温度场均匀。成功生长出具有均匀组织的定向凝固氧化物共晶纤维。

上述装置以不同的方式保证固液界面前沿温度场均匀，但均存在结构复杂，造价高昂的不足。

发明内容

为克服现有技术中结构复杂，造价高昂的不足，本发明提出了一种用于激光悬浮区熔定向凝固的装置。

本发明所述的用于激光悬浮区熔定向凝固的装置包括激光器、真空室、抽拉旋转系统、电机组和反射镜，激光器位于真空室一侧。

所述的用于激光悬浮区熔定向凝固的装置还包括分光镜、平透镜、凸透镜及凸透镜平移装置；反射镜包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；分光镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜依次分布在真空室外；平透镜有两个，分别嵌装在真空室两侧壳体上，并与熔区位置对应。

所述的分光镜位于真空室一侧、激光器的激光出口处，并且该分光镜的中心距离激光器出光口的距离为1m，分光镜的镜面与激光束成45°角，使激光束经过分光镜后分成互相垂直的两束等质量的激光；两束激光处于同一水平面，其中一束激光被第一反射镜接收，另一束激光被第三反射镜接收。

所述的第一反射镜接收的激光束反射给第二反射镜；第二反射镜接收的激光束反射后，通过位于真空室一侧的凸透镜发射至与之对应的平透镜，并通过该平透镜进入真空室发射至熔区；第三反射镜接收的激光束反射后，通过位于真空室另一侧的凸透镜发射至与之对应的平透镜，并通过该平透镜进入真空室发射至熔区；第二反射镜和第三反射镜反射至熔区的激光束之间的夹角为160°。

所述的第一反射镜位于真空室另一侧，该第一反射镜的中心与分光镜中心的距离为1m；第一反射镜的镜面与分光镜的镜面相互平行；第二反射镜和第三反射镜分别位于真空室两侧，并分别与真空室与两侧壳体上的平透镜对应；第二反射镜的镜面与第一反射镜的镜面对应，并且第二反射镜镜面与所接收的激光束成50°角；第三反射镜镜面与所接收的激光束成50°角。

所述的分光镜、平透镜、凸透镜和反射镜均与熔区处于同一水平面。所选用的凸透镜6的焦距为200mm。

通过凸透镜平移装置调整两片凸透镜镜体的中心点到两束激光交点距离。

本发明采用双向等质量激光束对预制体进行区熔，同时旋转预制体，达到使预制体固液界面前沿温度场均匀平直的目的，克服了传统方法中的造价高昂，结构复杂等问题，并以较为简便的方法很好的解决了问题。本装置能够对熔点高、不导电材料进行定向凝固组织演化研究，所得到的氧化物共晶自生复合材料组织均匀且细小致密，定向性好，其力学性能及其它功能都明显好于其他定向凝固方法。其生产的功能材料的尺寸和形状也能够满足各种光电用途，例如固体激光器、非线性光学元件以及光学光谱的应用。

附图说明