CN2482691Y - 金属快速凝固过程中界面动力学信息的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种金属快速凝固过程中界面动力学信息的测量装置,它由脉冲激光器、透镜组、光束均衡器、样品、恒温预热装置、数字恒流源、数字示波器、探头滤波器组成,所述激光器由计算机控制启动,通过透镜组、光束均衡器将光束打在样品的工作电阻上,恒温预热装置5置于样品下样品台上,数字恒流源为测量电路提供恒定电流,样品两端电压信号经探头滤波器接入数字示波器,再经计算机处理。具有能满足快速凝固过程测量需要、准确性高之优点。
Description
本实用新型涉及金属材料的快速凝固技术，具体地说是一种金属快速凝固过程中界面动力学信息的测量装置。
采用高能激光进行表面加工，具有表面快速重熔和快速非平衡凝固的优点，已经成为材料制备和改变组织结构的非常重要的手段之一。迄今为止，对于激光快速熔凝过程，科学工作者根据平衡或非平衡相变模型已经进行了大量的传热传质等的数值研究。最初假设在界面处存在热力学平衡状态，界面温度固定在相图标定熔点温度，界面移动速度主要由散热速度决定，后来又提出了非平衡凝固的概念，但是假定凝固过程是在低于熔点某一固定温度下进行的，且根据动力学理论计算了这一温度。近来，有人结合热传导和晶体生长动力学理论对雾化粉末颗粒进行了数值计算，与传统金属相变问题的差异主要在于非平衡凝固时界面温度为可变，而此可变参数则由界面速度与过冷度之间的关系决定，由此对平板、圆柱体和球体的快速凝固过程进行的数值模拟与双辊法制备Al-Al2Cu共晶合金的实验结果吻合较好。利用线性动力学理论和界面跟踪法对溅射激冷非平衡凝固问题也进行了研究，并评价了基底材料、熔体初始温度、形核温度和线性动力学系数等对凝固过程的影响。
由于存在着传热、传质和非平衡熔化与凝固动力学的交互作用，表面重熔和凝固过程非平衡效应的研究非常复杂，固/液界面的边界条件由包含界面速度、温度和成分的界面响应函数来表达。到目前为止利用各种非平衡动力学关系的研究已经建立了一些表面熔化和凝固的理论模型，如数值模拟脉冲激光熔化非晶Si薄膜时研究动力学诱发的过热和过冷问题、贵金属表面熔化和凝固过程、将热质传输与界面速度相耦合研究激光脉冲加热条件下的平面凝固过程、激光上釉过程等等。
但是，上述数值模拟研究由于缺乏金属快速凝固过程的动力学数据，所获得的凝固速率等工艺参数也缺乏可信度。快速凝固过程测量方法有很多，例如：红外热像法，但只能测得温度信号；另外也有用红外高温计法测量温度场的，但上述方法均不能测得关于界面动力学信息，因为过程的冷却速度非常快(＞106K/s)，通常的实验手段无法对快速熔化凝固过程进行观察与测量，实验测试难度极大。
本实用新型的目的在于提供一种能满足快速凝固过程测量需要、准确性高的金属快速凝固过程中界面动力学信息的测量装置。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：它由脉冲激光器、透镜组、光束均衡器、样品、恒温预热装置、数字恒流源、数字示波器、探头滤波器组成，所述激光器由计算机控制启动，通过透镜组、光束均衡器将光束打在样品的工作电阻上，恒温预热装置5置于样品下样品台上，数字恒流源为测量电路提供恒定电流，样品两端电压信号经探头滤波器接入数字示波器，再经计算机处理。
所述样品为工作电阻、绝缘膜、基体自上而下设置结构，其中：工作电阻往复折迭式排列，通过电极与测量电路电连接。
本实用新型具有如下优点：
1.具有能满足快速凝固过程测量需要、捕获其界面动力学信息的特点。本实用新型能够跟踪金属在激光作用下发生的快速熔化和凝固过程，并捕获其界面动力学信息。采样频率可达2.5GS/s，以满足测量快速凝固过程的需要，准确地测量金属快速凝固时温度及界面信息随时间的变化。另外，本实用新型采用的数字示波器、恒流源及采样电路能响应样品电阻的快速变化，能够准确采集快速凝固过程中样品电阻的变化信息，实现过程的实时跟踪与测量，为研究快速凝固过程提供了一种可靠的实验手段，同时为数值模拟研究奠定了实验基础。
2.测量准确。本实用新型的工作电阻为样品的一部分，薄膜式，能满足激光表面熔凝处理时加热面积小的要求，其电阻值达到Ω量级，准确性高，其实验重现性为0.5％。
附图1为本实用新型结构示意图。
附图2-1为附图1中工作电阻和电极在样品上的连接结构俯视图。
附图2-2为附图2-1中工作电阻的局部放大图。
附图3为附图1中样品发生快速凝固过程时的测量原理图。
附图4-a为附图1中样品发生快速凝固过程时测得其电阻及固/液界面位置随时间的变化图。
附图4-b为附图1中样品发生快速凝固过程时其固/液界面移动速度随
界面位置的变化图。
下面通过实施例详述本实用新型。
如附图1所示，由脉冲激光器1、透镜组2、光束均衡器3、样品4、恒温预热装置5、数字恒流源6、数字示波器7、探头滤波器8组成，所述激光器1由计算机控制启动，通过透镜组2、光束均衡器3将光束9打在样品4的工作电阻41上，恒温预热装置5置于样品4下的样品台上，数字恒流源6为测量电路提供恒定电流，样品4两端的电压信号经探头滤波器8接入数字示波器7，再经计算机处理；
如附图2-1、2-2、2-3所示，样品4为Al工作电阻41、SiO2绝缘膜42、Si基体43自上而下设置结构，采用电子束镀膜技术制作，其中工作电阻41往复折迭式排列，通过电极44与测量电路电连接，其工作电阻41本身结构可增大电阻阻值，达欧姆量级，使其两端电压信号变化明显，方便测试。
本实用新型工作原理如下：
本实用新型是通过光束均衡器使能量均匀加在样品表面上，实现以平界面凝固为基础，来适应金属在激光作用下所发生的快速熔化和凝固过程，通过测定样品在快速凝固过程中电阻的变化，来获得有关传热及界面动力学的信息，具体为：
样品在脉冲激光照射下温度不断升高，当温度到达熔点时发生快速熔化和凝固，假设光束在空间上分布均匀，则样品的液/固等温面是平直的，即样品熔化和凝固时液/固界面呈现平面状态。这时，样品的总电阻r与固态部分电阻411和液态部分电阻412之间符合电阻并联关系，设rs，rl分别为熔点温度下样品的固态电阻和液态电阻，据此样品的总电阻r与样品熔化深度dmelt的关系如下： 其中：r(t)为实时测试样品两端电阻，dsample为样品熔化深度。由测得的随时间变化的样品电阻，可间接取得样品的温度场和熔化深度，进而可获得快速熔化和凝固过程的冷却速率、固/液界面的移动速度及其与过冷度的关系等动力学数据。
本实用新型工作过程是：
如附图3所示，激光发生器1，选用计算机系统控制下工作的脉宽300μs，波长1.06μm的YAG激光器，用来发生金属快速熔化和凝固过程，将样品4置于样品台上固定，经过测量装置校正，并测定样品4上工作电阻41的常温电阻；启动样品恒温预热装置5，使样品4温度恒定于预定的初始温度；调节数字示波器7的设置(过程时间为100μs，采样宽度为0～7V)，并置于触发状态；调节脉冲激光器1的参数设置，使能量光斑覆盖样品4，启动激光发生器1发生快速熔化和凝固过程，同时由数字示波器7记录恒流电路中电压信号的变化，通过测定的样品4上工作电阻41的常温电阻，计算扣除工作电阻41与测量端点之间的接触电阻和连线电阻等，即得到样品电阻随时间的变化。如图4-a、4-b所示，当样品的预热温度为240℃，激光能量密度为2.1×109W/m2时测得的电阻随时间的变化(图标○标明的曲线)及所获得的样品的熔化深度(图标△标明的曲线)和固/液界面的移动速度(其中：负值为凝固速度，正值为熔化速度)。这些结果可对发展快速凝固理论和制定工艺参数等起到重要的指导作用，也为数值模拟研究指明研究方向。
本实用新型所述恒温预热装置5、数字恒流源6、数字示波器7为市购产品，其中本实施例数字示波器7采用美国泰克公司生产的可进行超高速数据采集的TDS3032型双通道数字荧光示波器，9位A/D转换，测量精度2％，带宽300MHz，采样频率2.5GS/s，最小采样间隔0.4ns；数字恒流源6工作电压9V，恒流范围为10～100mA，其恒流特性可响应电阻的超快速变化，信号失真最大电阻为350Ω；所述恒温预热装置5可使样品的初始温度在室温～500℃之间任意调节。
本实用新型所述计算机系统可同时进行激光器触发控制和示波器信号采集和处理。
Claims (2)
1.一种金属快速凝固过程中界面动力学信息的测量装置，其特征在于：由脉冲激光器(1)、透镜组(2)、光束均衡器(3)、样品(4)、恒温预热装置(5)、数字恒流源(6)、数字示波器(7)、探头滤波器(8)组成，所述激光器(1)由计算机控制启动，通过透镜组(2)、光束均衡器(3)将光束(9)打在样品(4)的工作电阻(41)上，恒温预热装置(5)置于样品(4)下的样品台上，数字恒流源(6)为测量电路提供恒定电流，样品(4)两端的电压信号经探头滤波器(8)接入数字示波器(7)，再经计算机处理。
2.按照权利要求1所述金属快速凝固过程中界面动力学信息的测量装置，其特征在于：所述样品(4)为工作电阻(41)、绝缘膜(42)、基体(43)自上而下设置结构，其中：工作电阻(41)往复折迭式排列，通过电极与测量电路电连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN103076332A (zh) * | 2013-01-11 | 2013-05-01 | 中国电子科技集团公司第十一研究所 | 一种用于测量汽化时间的系统 |
| CN104914126A (zh) * | 2015-05-14 | 2015-09-16 | 哈尔滨工业大学 | 低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置 |
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