CN114277256B - 一种应用激光加热的合金制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及合金制备技术领域，具体涉及一种应用激光加热的合金制备装置，当需要对合金样品进行制备时，将坩埚放入凹槽内或者将原料直接放入凹槽内，将特定成分比例的原料放入坩埚内，调整激光自上而下直入射或者斜入射地对准其中一个坩埚或者凹槽，从而实现原料的熔化混合，最终在液态金属表面张力的作用下收缩成球状或纽扣状，凝固后即为特定成分的合金样品。通过步进电机的控制配合循环冷却水与惰性气体，能够实现高效制备多个特定成分的合金样品，同时能够有效避免样品在高温下被氧化。另外，还可以通过更换带有不同尺寸凹槽的第五法兰盘可以实现不同坩埚大小和数量合金样品的制备，本发明在合金样品制备领域具有良好的应用前景。

Description

一种应用激光加热的合金制备装置

技术领域

本发明涉及合金制备技术领域，具体涉及一种应用激光加热的合金制备装置。

背景技术

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光具有定向发光、亮度极高、颜色极纯和能量极大等特点。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术。

现有激光加工技术在进行合金样品制备时，无法实现大尺寸合金样品的高效制备。大尺寸合金样品需要激光的持续热输入才能熔化均匀，没有高效的冷却系统，则需要较长时间的冷却，才能进行下一个样品的制备。此外，为了不影响激光器的使用寿命而通过人工方式调整坩埚对准下一个样品原料，降低了实验效率。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种应用激光加热的合金制备装置，包括固定底座、旋转底座、步进电机、承重压力轴承、联轴器、筒状连杆、支撑杆、第一法兰盘、第二法兰盘、第一圆柱筒、第三法兰盘、第二圆柱筒、第四法兰盘、第五法兰盘、第六法兰盘；承重压力轴承固定连接固定底座和旋转底座，步进电机螺接在固定底座上，步进电机与筒状连杆通过联轴器连接，第一法兰盘上设有进水口、出水口、进气口、出气口，支撑杆的一端与第一法兰盘螺接，支撑杆的另一端置于旋转底座表面的孔内，筒状连杆的顶端与第一法兰盘同轴心地焊接在一起，第一圆柱筒的两端分别焊接有第二法兰盘和第三法兰盘，第一法兰盘与第二法兰盘螺接，第一圆柱筒与第一法兰盘同轴心，第二圆柱筒置于第一圆柱筒内，第二圆柱筒与第一法兰盘同轴心地焊接在一起，第二圆柱筒的另一端焊接第四法兰盘，第四法兰盘、第二圆柱筒、第一法兰盘围成封闭空间，进水口和出水口联通封闭空间，第一圆柱筒和第二圆柱筒之间设有间隙，第五法兰盘和第三法兰盘之间设有间隙，进气口和出气口联通间隙，第五法兰盘螺接在第四法兰盘上，第五法兰盘的上表面设有凹槽，凹槽为多个，第六法兰盘同轴心地螺接在第三法兰盘上，第六法兰盘的中部为石英玻璃。

更进一步地，支撑杆的个数为三个。

更进一步地，凹槽为半球形。

更进一步地，凹槽360°等间距排布，凹槽的球心处于同一圆周上。

更进一步地，凹槽为两圈。

更进一步地，在石英玻璃上镀有增透膜。

更进一步地，还包括筒状管，筒状管为两个，两个筒状管分别设置在第二圆柱筒和间隙内，分别连接出水口和进气口。

更进一步地，筒状管的材料为不锈钢。

更进一步地，步进电机的转动杆与所述固定底座、所述联轴器同轴心。

本发明的有益效果：本发明提供了一种应用激光加热的合金制备装置。当需要对合金样品进行制备时，将坩埚放入凹槽内，将特定成分比例的原料放入坩埚内，调整激光自上而下地对准其中一个坩埚，从而实现原料的熔化混合，最终在液态金属表面张力的作用下收缩成球状或纽扣状，凝固后即为特定成分的合金样品。通过步进电机的控制配合循环冷却水与惰性气体，能够实现高效制备多个特定成分的合金样品，同时能够有效避免样品在高温下被氧化。另外，还可以通过更换带有不同尺寸凹槽的第五法兰盘可以实现不同坩埚大小和数量合金样品的制备，本发明在合金样品制备领域具有良好的应用前景。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种应用激光加热的合金制备装置的示意图。

图2是进水口、出水口、进气口、出气口位置示意图。

图3是筒状连杆结构示意图。

图中：1、固定底座；2、旋转底座；3、步进电机；4、承重压力轴承；5、联轴器；6、筒状连杆；7、支撑杆；8、第一法兰盘；9、第二法兰盘；10、第一圆柱筒；11、第三法兰盘；12、第二圆柱筒；13、第四法兰盘；14、第五法兰盘；15、第六法兰盘；31、步进电机接线孔；81、进水口；82、出水口；83、进气口；84、出气口。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

本发明提供了一种应用激光加热的合金制备装置，如图1所示，包括固定底座1、旋转底座2、步进电机3、承重压力轴承4、联轴器5、筒状连杆6、支撑杆7、第一法兰盘8、第二法兰盘9、第一圆柱筒10、第三法兰盘11、第二圆柱筒12、第四法兰盘13、第五法兰盘14、第六法兰盘15。承重压力轴承4固定连接固定底座1和旋转底座2，并上部分的压力传送到固定底座1，不影响电机的旋转和装置的美观。步进电机3螺接在固定底座1上，具体地，步进电机3设置在固定底座1的中心位置，步进电机3的转动杆与固定底座1、联轴器5同轴心，固定底座1的侧面设有步进电机接线孔31。步进电机3与筒状连杆6通过联轴器5连接。第一法兰盘8上设有进水口81、出水口82、进气口83、出气口84。支撑杆7的一端与第一法兰盘8螺接，支撑杆7的另一端置于旋转底座2表面的孔内。这样一来，步进电机3驱动旋转底座2旋转，从而带动第一法兰盘8旋转。筒状连杆6的顶端与第一法兰盘8同轴心地焊接在一起。第一圆柱筒10的两端分别焊接有第二法兰盘9和第三法兰盘11。第一法兰盘8与第二法兰盘9螺接，第一圆柱筒10与第一法兰盘8同轴心。第二圆柱筒12置于第一圆柱筒10内，第二圆柱筒12与第一法兰盘8同轴心地焊接在一起，第二圆柱筒12的另一端焊接第四法兰盘13，第四法兰盘13、第二圆柱筒12、第一法兰盘8围成封闭空间，用以盛放冷却水。如图2所示，进水口81和出水口82联通封闭空间。第一圆柱筒10和第二圆柱筒12之间设有间隙，第五法兰盘14和第三法兰盘11之间设有间隙。进气口83和出气口84联通间隙。应用时，从进气口83通入惰性气体，利用氩气的密度大于空气，将腔体内的空气从出气口排出，且在整个样品的制备过程中，气体循环不会停止，由于气体流速无需很大，配合半自动转动系统，避免了抽真空的漫长过程和体积小巧，节省成本，制样效率高。第五法兰盘14螺接在第四法兰盘13上。第五法兰盘14为紫铜材质，便于更好地散热。第五法兰盘14的上表面设有凹槽，凹槽为半球形，用以设置坩埚。凹槽为多个，多个凹槽360°等间距排布，凹槽的球心处于同一圆周上，可以根据凹槽大小考虑设置一圈还是多圈。当在步进电机3的带动下，旋转底座2旋转时，激光光束位置不变即可入射到另一个坩埚内，应用方便。更进一步地，在第五法兰盘14的上表面设有两圈凹槽，以便于设置更多的坩埚，便于在不打开装置的情况下，一次性地完成多样品制备。第六法兰盘15同轴心地螺接在第三法兰盘11上，第六法兰盘15的中部为石英玻璃。第三法兰盘11为环形，当激光从装置外照射石英玻璃时，激光能够穿透石英玻璃和第三法兰盘11，最终照射到凹槽内的坩埚中的样品上。

当需要对合金样品进行制备时，拧开第一法兰盘8与第二法兰盘9，分离第一法兰盘8和第二法兰盘9，在凹槽内放入坩埚，在坩埚内放入原料；随后螺接第一法兰盘8和第二法兰盘9；通入惰性气体和冷却水；调整激光自上而下直入射或者斜入射地对准其中一个坩埚，从而实现原料的熔化混合，最终在液态金属表面张力的作用下收缩成球状或纽扣状，凝固后即为特定成分的合金样品。通过步进电机3的控制配合循环冷却水与惰性气体，能够实现高效制备多个特定成分的合金样品，同时能够有效避免样品在高温下被氧化。另外，还可以通过更换带有不同尺寸凹槽的第五法兰盘14可以实现不同坩埚大小和数量合金样品的制备，本发明在合金样品制备领域具有良好的应用前景。在本发明中，原料也可以直接放入凹槽内，原料在凹槽内熔化，便于散热。对于激光的入射方向，优选地，激光斜入射地照射原料，防止反射的激光烧损激光器部件。

当需要更换第五法兰盘14时，将原有的第五法兰盘14从第四法兰盘13上拧下来，更换上新的第五法兰盘14即可，更换方便。

另外，在本发明中，石英玻璃也可以夹持在第三法兰盘11和第六法兰盘15之间。石英玻璃上下端面应用O胶圈密封，拆卸方便，相比一次性使用的铜垫圈密封，这样成本低很多。

在本发明中，冷却水占据的空间大，对第五法兰盘14的冷却效果好；间隙的体积小，所需要的惰性保护气体少，节约保护气体。

更进一步地，支撑杆7的个数为三个或更多个。这些支撑杆7均匀地分布在第一法兰盘8的圆周上，不仅固定了第一法兰盘8，而且给进水管、出水管、进气管、出水管留出了空间。

更进一步地，在石英玻璃上镀有增透膜，以便于更多的激光穿透石英玻璃，照射到坩埚内的原料上。

更进一步地，还包括筒状管，筒状管的材料为不锈钢。筒状管为两个，两个筒状管分别设置在第二圆柱筒12和间隙内，分别连接出水口82和进气口83。具体地，出水口82和进气口83的侧面设有螺纹，通过卡套连接筒状管，用以将冷却水或惰性气体引入到装置的不同位置，实现更好的冷却效果和保护作用。

更进一步地，如图2所示，进水口81位于非轴心位置，冷却水从进水口81进入封闭空间；出水口82位于轴心位置，筒状连杆6的中空部分通过卡套贯通出水口82，水从筒状连杆6的内部流出封闭空间。如图3所示，筒状连杆6的侧面设有通孔，用以连接出水管。这样一来，进水口81在水温较低处，出水口82位于水温较高处，充分利用了冷却水，对第五法兰盘14的冷却效果好。

更进一步地，第五法兰盘的下表面中心位置设有凹坑，优选地，凹坑为半球形。连接出水口82的筒状管的材料为316L不锈钢。该筒状管的上端面高于第五法兰盘14的下端面，从而伸入到半球形凹坑内，该筒状管的上端面与凹坑低端的距离小于等于10mm，以保证更好的水冷效果。

在本发明中，第五法兰盘14的下表面中心位置设有凹坑，而在第五法兰盘14的上表面围绕转轴一圈地设置凹槽。下表面的凹坑和上表面的凹槽充分利用了第五法兰盘14的厚度空间，也使得凹坑与凹槽具有较小的距离，从而使得散热效果更好。

更进一步地，连接进气口83的筒状管的材料为316L不锈钢。该筒状管的上端面与石英玻璃的下表面之间的距离小于等于10mm，从而保证实验时间隙内的空气能够通畅地排出。

更进一步地，在某个坩埚内设置钛块，制备合金前，先熔化钛块，以吸收腔体内多余的氧气，避免合金可能被氧化。然后，再转动旋转底座2，熔化原料。

在应用中，在进水口81、进气口83、出气口84的侧面设有螺纹，通过卡套连接进水管、进气管、出气管。

更进一步地，在本发明中，所有法兰盘之间用氟橡胶O形圈进行密封，利用螺杆与法兰盘螺纹之间的紧固作用，使O形圈压缩变形，从而实现密封。氟橡胶具有耐腐蚀耐高温的特点，在本发明中非常适用。对于两个螺接的法兰盘，其中一个法兰盘上设置有用于放置密封圈的环形凹槽，以实现更优地密封效果。

更进一步地，为了方便拆卸，两个法兰盘之间，其中一个法兰盘上的螺丝孔带有螺纹，另一个法兰盘上设有沉头贯穿孔，实现连接的同时，并保证了美观。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种应用激光加热的合金制备装置，其特征在于，包括固定底座、旋转底座、步进电机、承重压力轴承、联轴器、筒状连杆、支撑杆、第一法兰盘、第二法兰盘、第一圆柱筒、第三法兰盘、第二圆柱筒、第四法兰盘、第五法兰盘、第六法兰盘；所述承重压力轴承固定连接所述固定底座和所述旋转底座，所述步进电机螺接在所述固定底座上，所述步进电机与所述筒状连杆通过所述联轴器连接，所述第一法兰盘上设有进水口、出水口、进气口、出气口，所述支撑杆的一端与所述第一法兰盘螺接，所述支撑杆的另一端置于所述旋转底座表面的孔内，所述筒状连杆的顶端与所述第一法兰盘同轴心地焊接在一起，所述第一圆柱筒的两端分别焊接有所述第二法兰盘和所述第三法兰盘，所述第一法兰盘与所述第二法兰盘螺接，所述第一圆柱筒与所述第一法兰盘同轴心，所述第二圆柱筒置于所述第一圆柱筒内，所述第二圆柱筒与所述第一法兰盘同轴心地焊接在一起，所述第二圆柱筒的另一端焊接所述第四法兰盘，所述第四法兰盘、所述第二圆柱筒、所述第一法兰盘围成封闭空间，所述进水口和所述出水口联通所述封闭空间，所述第一圆柱筒和所述第二圆柱筒之间设有间隙，所述第五法兰盘和所述第三法兰盘之间设有间隙，所述进气口和所述出气口联通所述间隙，所述第五法兰盘螺接在所述第四法兰盘上，所述第五法兰盘的上表面设有凹槽，所述凹槽为多个，所述第六法兰盘同轴心地螺接在所述第三法兰盘上，所述第六法兰盘的中部为石英玻璃。

2.如权利要求1所述的应用激光加热的合金制备装置，其特征在于：所述支撑杆的个数为三个。

3.如权利要求1所述的应用激光加热的合金制备装置，其特征在于：所述凹槽为半球形。

4.如权利要求1所述的应用激光加热的合金制备装置，其特征在于：所述凹槽360°等间距排布，所述凹槽的球心处于同一圆周上。

5.如权利要求4所述的应用激光加热的合金制备装置，其特征在于：所述凹槽为两圈。

6.如权利要求1所述的应用激光加热的合金制备装置，其特征在于：在所述石英玻璃上镀有增透膜。

7.如权利要求1所述的应用激光加热的合金制备装置，其特征在于：还包括筒状管，所述筒状管为两个，两个所述筒状管分别设置在所述第二圆柱筒和所述间隙内，分别连接所述出水口和所述进气口。

8.如权利要求7所述的应用激光加热的合金制备装置，其特征在于：所述筒状管的材料为不锈钢。

9.如权利要求1所述的应用激光加热的合金制备装置，其特征在于：所述步进电机的转动杆与所述固定底座、所述联轴器同轴心。

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