专利名称：一种用于激光悬浮区熔定向凝固的装置的制作方法
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勻组织的前提条件，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勻且平直的方法。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勻性。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，从而保证温度场均勻。成功生长出具有均勻组织的定 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勻，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
3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lm，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Im;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勻平直的目的，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勻且细小致密，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1是激光悬浮区熔定向凝固装置的结构示意图。附图2是激光悬浮区熔定向凝固装置结构示意图的A向试图。1.激光器2.分光镜3.第一反射镜4.第二反射镜5.第三反射镜6.凸 透镜7.凸透镜平移装置8.平透镜9.真空室10.抽拉旋转系统11.电机组12.定 位螺栓13.预制体14.熔区
具体实施方式
实施例一本实施例是一种用于激光悬浮区熔定向凝固的装置，包括激光器1、分光镜2、反 射镜、两片凸透镜6、两片平透镜8及凸透镜平移装置7、真空室9、抽拉旋转系统10和两个 电机组11。本实施例中，平面反射镜三片包括第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5，并且分光镜2、第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5依次分布在真空室9外周边。 激光器1位于真空室9 一侧。两个圆形的平透镜8分别嵌装在真空室9两侧壳体上；该平 透镜8的中心轴线过抽拉旋转系统10的轴线并垂直于抽拉旋转系统10的轴线，使经过两 片凸透镜6聚焦后的两束激光通过两片平透镜8进入真空室9后落在抽拉旋转系统10的 轴线上，实现对安装在抽拉旋转系统10上预制体13的熔融，进而在预制体13上形成熔区 14。本实施例中，第一反射镜3接收的激光束反射给第二反射镜4 ；第二反射镜4接收 的激光束反射后，通过位于真空室9 一侧的凸透镜6反射至与之对应的平透镜8，并通过该 平透镜8进入真空室9反射至熔区14 ；第三反射镜5接收的激光束反射后，通过位于真空 室9另一侧的凸透镜6反射至与之对应的平透镜8，并通过该平透镜8进入真空室9反射至 熔区14。分光镜2、第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5以及平透镜8的平面垂直 于水平面。凸透镜6的主光轴水平。分光镜2的中心距离激光器1出光口为lm，与激光束成45°角，激光器1产生的 激光水平通过分光镜2，分成互相垂直的两束等质量的激光，两束激光所处平面水平。第一 反射镜3中心与分光镜2中心距离lm，与经过分光镜2透射的激光夹角为45°。第二反射 镜4中心位于由第一反射镜3反射的光束中心，其中心与第一反射镜3中心距离为lm，并 与激光束成50°夹角。第三反射镜5中心位于由分光镜2反射的光束中心，其中心与分光 镜2中心距离为lm，并与激光束成50°夹角，最终经第二反射镜4及第三反射镜5反射后 的两束激光夹角为160°。两片凸透镜6镜体的中心点分别经过第二反射镜4第三反射镜5反射的激光束中 心，并且通过凸透镜平移装置7调整由两片凸透镜6镜体的中心点到两束激光交点距离。所 选用的凸透镜6的焦距为200mm。抽拉旋转系统10包括上夹头和下夹头，抽拉旋转系统10的轴线竖直，并且该抽拉 旋转系统10的两端分别与两个电机组11固连，通过电机组11实现抽拉系统的旋转及轴向 运动。抽拉旋转系统10的上夹头和下夹头均为圆形杆件，并且该上夹头和下夹头外圆周的 一端均有凸出的台阶，使其外形呈“T”形；在上夹头和下夹头有凸出的台阶一端的端面中 心均有盲孔，该盲孔的内径略大于预制体13的外径。预制体13的两端分别装入位于抽拉系统10上夹头和下夹头一端端面中心的盲孔 内，并旋紧定位螺栓12将预制体紧固定位。预制体13与抽拉旋转系统10同轴。
权利要求1.一种用于激光悬浮区熔定向凝固的装置，包括激光器(1)、真空室(9)、抽拉旋转系 统(10)、电机组(11)和反射镜，激光器⑴位于真空室(9) 一侧；其特征在于，a.所述的用于激光悬浮区熔定向凝固的装置还包括分光镜O)、平透镜(8)、凸透镜 (6)及凸透镜平移装置(7)；反射镜包括第一反射镜(3)、第二反射镜(4)和第三反射镜 (5)；分光镜(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)和第三反射镜(5)依次分布在真空室(9) 外；平透镜⑶有两个，分别嵌装在真空室(9)两侧壳体上，并与熔区(14)位置对应；b.分光镜(2)位于真空室(9)一侧、激光器(1)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lm，分光镜O)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C3)接收，另一束激光被第三反射镜( 接收；c.第一反射镜(3)接收的激光束反射给第二反射镜；第二反射镜(4)接收的激光 束反射后，通过位于真空室(9) 一侧的凸透镜(6)反射至与之对应的平透镜(8)，并通过该 平透镜⑶进入真空室(9)反射至熔区(14)；第三反射镜(5)接收的激光束反射后，通过 位于真空室(9)另一侧的凸透镜(6)反射至与之对应的平透镜(8)，并通过该平透镜(8)进 入真空室(9)反射至熔区(14)；第二反射镜(4)和第三反射镜(5)反射至熔区(14)的激 光束之间的夹角为160° ；d.第一反射镜(3)位于真空室(9)另一侧，该第一反射镜(3)的中心与分光镜O)中 心的距离为Im;第一反射镜(3)的镜面与分光镜O)的镜面相互平行；第二反射镜(4)和 第三反射镜(5)分别位于真空室(9)两侧，并分别与真空室(9)与两侧壳体上的平透镜(8) 对应；第二反射镜(4)的镜面与第一反射镜(3)的镜面对应，并且第二反射镜(4)镜面与所 接收的激光束成50°角；第三反射镜(5)的镜面与分光镜O)的镜面相互平行，并且第三 反射镜( 镜面与所接收的激光束成50°角。
2.如权利要求1所述一种用于激光悬浮区熔定向凝固的装置，其特征在于，分光镜(2) 平透镜(8)、凸透镜(6)和反射镜均与熔区(14)处于同一水平面。
3.如权利要求1所述一种用于激光悬浮区熔定向凝固的装置，其特征在于，通过凸透 镜平移装置(7)调整两片凸透镜(6)镜体的中心点到两束激光交点距离。
4.如权利要求1所述一种用于激光悬浮区熔定向凝固的装置，其特征在于，所选用的 凸透镜(6)的焦距为200mm。
专利摘要一种用于激光悬浮区熔定向凝固的装置，装置中的激光器位于真空室一侧，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；两个平透镜分别嵌装在真空室两侧壳体上，并与熔区位置对应。激光束经过分光镜后分成互相垂直的两束等质量的激光，其中一束激光被第一反射镜接收并反射给第二反射镜，继而通过凸透镜发射至与之对应的平透镜进入真空室反射至熔区；另一束激光被第三反射镜接收并通过另一侧的凸透镜发射给与之对应的平透镜进入真空室反射至熔区。本实用新型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，所得到的氧化物共晶自生复合材料定向性好，并具有结构简单、操作简便的特点。
文档编号B22D27/04GK201896205SQ20102059624
公开日2011年7月13日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者傅恒志, 刘林, 宋衎, 张军, 苏海军 申请人:西北工业大学