专利名称：一种激光加热定向凝固装置的制作方法
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lOK/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。本发明所采取技术方案基础来源于区域熔化液态金属冷却法(Zone melting liquidmetal cooling, ZMLMC)，即将区熔和液态金属冷却两种提高温度梯度的方法相结 合。在本发明中，将加热源换成了激光束，缩短了熔区长度，提高了熔区过热度；另外相比于 传统激光悬浮区熔定向凝固法，本发明利用液态镓铟锡合金做冷却介质，提高了材料固相 散热能力，从而获得了更高的固液界面前沿温度梯度，可达105K/cm。本发明通过液态镓铟锡合金急冷很好的解决了保留固液界面形貌问题，当熔区移 至预制体顶端时，启动有气缸的抽拉系统中的气缸，使预制体以气缸的设计速度向下迅速 进入液态镓铟锡合金中进行冷却，完成预制体的定向凝固，保留固液界面形貌。本发明可对熔点高、不导电的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 他定向凝固装置。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是激光加热的定向凝固装置的结构示意图。其中1.激光器2.真空室3.平透镜4.冷却水筒5.有气缸的抽拉系统6.定位 螺栓7.底板8.密封圈9.冷却介质10.冷却水11.预制体12.熔区
具体实施方式
实施例一本实施例是一种用于l(^K/cm温度梯度定向凝固装置，包括激光器1、真空室2、平透镜3、冷却水筒4、有气缸的抽拉系统5、定位螺栓6、底板7、密封圈8、冷却介质9，在真空 室2的侧壁上安装有平透镜3 ；冷却介质9位于冷却水筒4内腔；熔区12的下表面与冷却 介质9液面之间的距离为1mm。冷却介质9采用液态镓铟锡合金。本实施例的激光器1位于真空室2 —侧。该激光器1所产生的激光水平穿过平透 镜3的中心轴线进入真空室2，并垂直且相交于有气缸的抽拉系统5的轴线，平透镜3安装 在真空室2侧壁，底板7固定在冷却水筒4的下端，由冷却水筒4的内孔与底板7形成了盛 装冷却介质9的容器。预制体11的两端分别装入位于有气缸的抽拉系统5上夹头和下夹 头一端端面中心的盲孔内，并旋紧定位螺栓6将预制体紧固定位。预制体11与有气缸的抽 拉系统5下夹头配合一端位于冷却水筒4内、冷却介质9的液面下；预制体11与有气缸的 抽拉系统5上夹头配合一端位于冷却水筒4上方。有气缸的抽拉系统5下夹头的杆穿过真 空室2和底板7中心的圆孔，并通过密封圈8密封。有气缸的抽拉系统5包括上夹头和下夹头；在上夹头和下夹头一端的端面中心均 有盲孔，该盲孔的内径略大于预制体11的外径。冷却水筒4为中空双层筒壁的圆筒，冷却 水筒4的两层筒壁内形成了冷却水10的循环通路。在底板7的中心有圆孔，并且孔的内径 大于有气缸的抽拉系统5下夹头的外径。冷却水筒4和底板7的外径相同。平透镜3位于冷却水筒4的容器上方，并且平透镜3的轴线垂直于位于两个夹头 之间的预制体11的轴线。熔区12下面距离冷却介质9的液面为1mm。本实施例的真空室2和有气缸的抽拉系统5和底板7中心孔，以及冷却水筒4的 中心同轴。实施例二本实施例是一种用于105K/cm温度梯度的激光加热定向凝固装置，包括激光器1、 真空室2、平透镜3、冷却水筒4、抽拉系统5、定位螺栓6、底板7、密封圈8、冷却介质9，在真 空室2的侧壁上安装有平透镜3 ；冷却介质9位于冷却水筒4内腔；熔区12的下表面与冷 却介质9液面之间的距离为5mm。冷却介质9采用液态镓铟锡合金。本实施例的激光器1所产生的激光水平穿过平透镜3的轴线进入真空室2，并垂直 且相交于真空室2的轴线。平透镜3安装在真空室2的侧壁上，并且该平透镜3的位置与 激光器1所产生激光束的位置对应并处于同一水平面。底板7固定在冷却水筒4的下端， 由冷却水筒4的内筒与底板7形成了盛装冷却介质9的容器。预制体11的两端分别装入 位于抽拉系统5上夹头和下夹头一端端面中心的盲孔内，并通过定位螺栓6将预制体紧固 定位。预制体11 一端与抽拉系统5下夹头配合，位于冷却水筒4内、冷却介质9的液面下； 预制体11与抽拉系统5上夹头配合一端位于冷却水筒4上方。抽拉系统5下夹头的杆穿 过真空室2和底板8中心的圆孔，并通过密封圈8密封。冷却水筒4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4的外筒和内筒。冷却水筒4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，用于盛装循环冷却水10 ；冷却水筒4内壳体锁未成的内孔构成了贯通的 内筒。抽拉系统5包括上夹头和下夹头；在上夹头和下夹头一端的端面中心均有盲孔， 该盲孔的内径略大于预制体11的外径。冷却水筒4为中空双层筒壁的圆筒，冷却水筒4的 两层筒壁内形成了冷却水10的循环通路。在底板7的中心有圆孔，并且孔的内径大于抽拉系统5下夹头的外径。冷却水筒4和底板7的外径相同。平透镜3位于冷却水筒4的容器上方，并且平透镜3的轴线垂直于位于两个夹头 之间的预制体11的轴线。本实施例的真空室2和抽拉系统5和底板7中心孔，以及冷却水筒4的中心同轴。实施例三本实施例是一种用于105K/cm温度梯度的激光加热定向凝固装置，包括激光器1、 真空室2、平透镜3、冷却水筒4、抽拉系统5、定位螺栓6、底板7、密封圈8、冷却介质9，在真 空室2的侧壁上安装有平透镜3 ；冷却介质9位于冷却水筒4内腔；熔区12的下表面与冷 却介质9液面之间的距离为3mm。冷却介质9采用液态镓铟锡合金。本实施例的激光器1所产生的激光水平穿过平透镜3的轴线进入真空室2，并垂直 且相交于真空室2的轴线。平透镜3安装在真空室2的侧壁上，并且该平透镜3的位置与 激光器1所产生激光束的位置对应并处于同一水平面。底板7固定在冷却水筒4的下端， 由冷却水筒4的内筒与底板7形成了盛装冷却介质9的容器。预制体11的两端分别装入 位于抽拉系统5上夹头和下夹头一端端面中心的盲孔内，并通过定位螺栓6将预制体紧固 定位。预制体11 一端与抽拉系统5下夹头配合，位于冷却水筒4内、冷却介质9的液面下； 预制体11与抽拉系统5上夹头配合一端位于冷却水筒4上方。抽拉系统5下夹头的杆穿 过真空室2和底板8中心的圆孔，并通过密封圈8密封。冷却水筒4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4的外筒和内筒。冷却水筒4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，用于盛装循环冷却水10 ；冷却水筒4内壳体锁未成的内孔构成了贯通的 内筒。抽拉系统5包括上夹头和下夹头；在上夹头和下夹头一端的端面中心均有盲孔， 该盲孔的内径略大于预制体11的外径。冷却水筒4为中空双层筒壁的圆筒，冷却水筒4的 两层筒壁内形成了冷却水10的循环通路。在底板7的中心有圆孔，并且孔的内径大于抽拉 系统5下夹头的外径。冷却水筒4和底板7的外径相同。平透镜3位于冷却水筒4的容器上方，并且平透镜3的轴线垂直于位于两个夹头 之间的预制体11的轴线。本实施例的真空室2和抽拉系统5和底板7中心孔，以及冷却水筒4的中心同轴。
权利要求1.一种激光加热定向凝固装置，包括真空室O)、冷却水筒G)、抽拉系统(5)、定位螺 栓(6)、底板(7)、底板(8)和密封圈(8)，其特征在于，所述的激光加热定向凝固装置还包 括激光发生器(1)，并且该激光发生器(1)位于真空室(2) —侧；平透镜(3)安装在真空室 (2)的侧壁上，并且该平透镜(3)的位置与激光发生器(1)所产生激光束的位置对应并处于 同一水平面；冷却介质(9)位于冷却水筒内筒中；熔区(13)的下表面与冷却介质(9) 液面之间的距离为1 5mm ；底板(7)固定在冷却水筒⑷的下端，由冷却水筒⑷的内筒 与底板(7)形成了盛装冷却介质(9)的容器。
2.如权利要求1所述一种激光加热定向凝固装置，其特征在于，所述的冷却水筒(4) 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， 形成了冷却水(10)的循环通路；冷却水筒(4)内壳体锁未成的内孔构成了贯通的内筒。
3.如权利要求1所述一种激光加热定向凝固装置，其特征在于，所述的平透镜(3)位于 冷却水筒的容器上方，并且平透镜(3)的轴线垂直于位于两个夹头之间的预制体(11) 的轴线。
专利摘要一种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、激光器和作为冷却介质的液态镓铟锡合金。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。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试样的轴线。本实用新型的加热源采用激光束，缩短了熔区长度，提高了熔区过热度。用液态镓铟锡合金做冷却介质，提高了材料固相散热能力，所获得的固液界面前沿温度梯度达105K/cm，所得到的氧化物共晶自生复合材料组织均匀，力学性能及其它功能都优于其他定向凝固装置，生产的功能材料的尺寸和形状能够满足各种光电元器件的应用。
文档编号C30B13/16GK201842899SQ20102059624
公开日2011年5月25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