專利名稱：激光真空加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一套激光真空加工裝置，屬激光加工技術(shù)領(lǐng)域。
自本世紀(jì)60年代第一臺紅寶石激光器問世以來，激光技術(shù)作為一門舉世矚目的高新技術(shù)幾乎在各個行業(yè)都獲得了重要的應(yīng)用和發(fā)展。在工業(yè)加工領(lǐng)域尤其顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢，如激光高速切割、激光深熔焊、激光鉆微孔等。利用激光束的快速加熱特性使表層基體金屬或表面涂層瞬時升溫-冷卻甚至熔化-凝固，從而改變表層金屬的相結(jié)構(gòu)，以此改善表層材料的力學(xué)，熱學(xué)，化學(xué)，乃至磁學(xué)和電學(xué)性能，由此提高工件的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性、抗氧化和耐高溫性能，從而大大地提高產(chǎn)品的質(zhì)量，成倍地延長產(chǎn)品的使用壽命和降低成本。此種以激光作為熱源的熱處理工藝，即為激光表面強(qiáng)化。目前，傳統(tǒng)的激光表面強(qiáng)化工藝均是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的，為防止氧化所采取的措施僅僅是用保護(hù)氣體(如氮?dú)饣驓鍤?、氦氣等惰性氣體)在激光束作用于金屬表面的同時，將激光作用區(qū)的空氣“吹走”，這樣的效果顯然很不理想。工件只是在保護(hù)氣體與空氣的混合氣體的氣氛環(huán)境中受激光作用而得到表面強(qiáng)化，對于諸如準(zhǔn)晶、非晶、納米晶這類性能優(yōu)良但需要在高真空環(huán)境下快速冷卻方可生成的亞穩(wěn)相幾乎無法生成。例如，鐘敏霖、劉文今等，在大氣環(huán)境下用氮?dú)夂蜌鍤庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，用激光快速掃描的方法制備Fe-C-B-Si非晶態(tài)合金，由于表層材料氧化的影響，僅僅在中間層得到70μm的非晶態(tài)合金層。參閱《中國激光》第24卷(A卷)，第9期1997年9月第847-852頁和《金屬熱處理學(xué)報》第191期1998年3月，第42-47頁。同時，Pinhero，PJ.，Anderegg，J.W等研究表明凝固過程中的氧化作用是非晶、準(zhǔn)晶、納米晶等亞穩(wěn)相形成的障礙。參閱《材料研究期刊》第14期第8卷1999年刊第3185-3188頁。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種激光真空加工裝置，在高真空環(huán)境下利用激光快速掃描或激光蒸發(fā)沉積等工藝手段，在金屬、非金屬、半導(dǎo)體和陶瓷材料表面，以制備傳統(tǒng)激光表面強(qiáng)化工藝和常規(guī)真空爐熱處理方法均難以獲得的非晶、準(zhǔn)晶、納米晶等新型材料。
本發(fā)明設(shè)計的激光真空加工裝置，包括真空室和機(jī)箱，真空室置于機(jī)箱的支架上，真空室內(nèi)設(shè)有工作臺，該工作臺與支架下部機(jī)箱內(nèi)的電機(jī)相連，機(jī)箱置于數(shù)控工作臺上；真空室頂部開有石英玻璃窗，真空室側(cè)壁上開有抽真空口和噴嘴。所述的真空室的頂蓋上設(shè)有基體夾具。
本裝置是利用波長為1064nm的YAG激光對石英玻璃有良好透射特性這一優(yōu)點(diǎn)。在真空室的頂部刻一個矩形石英玻璃窗口，使YAG激光透過石英玻璃直接照射到處于真空環(huán)境下的工件表面，真空室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)工作臺由直流電機(jī)驅(qū)動可作高速旋轉(zhuǎn)，帶動工件作圓周運(yùn)動，從而使激光束在工件表面獲得一個大范圍變化的切向掃描速度。以使工件在高真空或預(yù)定反應(yīng)氣體的氣氛環(huán)境下與高能量的激光光子發(fā)生作用。旋轉(zhuǎn)工作臺上可固定一個多靶夾具，真空室內(nèi)頂蓋上可固定基體夾具?；w夾具和靶材夾具均可作大自由度調(diào)整，從而可使基體處于靶材的側(cè)面和正面。激光束可以垂直照射或以一定角度斜射到母相金屬靶表面，實施激光蒸發(fā)沉積制備非晶、準(zhǔn)晶和納米晶薄膜。旋轉(zhuǎn)工作臺通過動密封軸承套與真空室外的驅(qū)動電機(jī)聯(lián)接。本裝置用作高真空環(huán)境下對金屬材料表面示實施激光快速掃描形成非晶、準(zhǔn)晶、納米晶化研究的科研設(shè)備，可以用來研究高真空環(huán)境下，激光與材料作用形成準(zhǔn)晶、非晶、納米晶等亞穩(wěn)相成分的熱力學(xué)、動力學(xué)和量子力學(xué)機(jī)理。通過計算機(jī)控制真空室外的步進(jìn)電機(jī)，可以對均布于旋轉(zhuǎn)工作臺上的多個母相金屬靶，按特定時間交替用高功率激光束照射蒸發(fā)，從而在高真空乃至超高真空的環(huán)境下，沉積得到特定成分的非晶或準(zhǔn)晶態(tài)合金系。由于該裝置可在高真空環(huán)境下獲得很高的激光掃描速度，對實際零件表面作高真空激光熱處理，可獲得108K/s以上的冷卻速度。因此，可在工件表面生成準(zhǔn)晶、非晶和納米晶等力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、化學(xué)等各方面性能優(yōu)良的新型材料，以賦予實際工程零件所需要的特殊功能。也可吸取傳統(tǒng)真空爐熱處理的優(yōu)點(diǎn)，在真空或者有其他保護(hù)氣體的環(huán)境氣氛下，用高功率密度的激光束瞬時加熱-冷卻或熔化一凝固表層金屬或其他涂層。以此利用激光束作為熱源可在工件表層進(jìn)行真空激光元素擴(kuò)滲處理(滲碳、滲氮、滲硼等)以及真空相變硬化等激光真空熱處理。


圖1是本裝置用作真空激光快速掃描制備非晶/準(zhǔn)晶/納米晶薄膜裝置的示意圖。
圖2是本裝置用作真空激光蒸發(fā)沉積制備非晶/準(zhǔn)晶/納米晶薄膜裝置的示意圖。
圖3是圖2中靶材夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
圖1和圖2中，1是激光束，2是石英玻璃窗口，3是真空室，4是工件，5是直流電機(jī)，6是工作臺，7是數(shù)控工作臺，8是光電測速器，9是噴嘴，10是步進(jìn)電機(jī)，11是基體夾具，12是靶材夾具，13是靶位，14是抽真空口，15是支架，16是機(jī)箱。
如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計的激光真空加工裝置，包括真空室3和機(jī)箱16，真空室3置于機(jī)箱的支架15上，真空室內(nèi)設(shè)有工作臺6，該工作臺與支架15下部機(jī)箱16內(nèi)的電機(jī)5相連，機(jī)箱置于數(shù)控工作臺7上；真空室頂部開有石英玻璃窗2，真空室側(cè)壁上開有抽真空口14和噴嘴9。上述真空室的頂蓋上還可以設(shè)置基體夾具11。
下面介紹本發(fā)明的應(yīng)用實例。
將本發(fā)明的裝置用作高真空激光快速掃描制備非晶/準(zhǔn)晶/納米晶薄膜裝置如圖1所示，由激光器產(chǎn)生的高功率激光束[1]，經(jīng)聚焦透鏡組聚焦后透過矩形石英玻璃窗口[2]直接照射到真空室[3]內(nèi)的工件[4]上，驅(qū)動電機(jī)(作激光高速掃描處理時用直流電機(jī)[5])驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作臺[6]可以在5--10000轉(zhuǎn)/秒的速度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)工作臺[6]帶動工件[4]作圓周運(yùn)動時，固定不動的激光束與工件[4]表面有一個切向掃描速度，其大小可以通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)[5]的轉(zhuǎn)速在5-105mm/s速度范圍內(nèi)無級獲得。這樣就實現(xiàn)了激光束在工件表面的快速掃描。在旋轉(zhuǎn)工作臺[6]帶動工件[4]轉(zhuǎn)過激光作用區(qū)的幾個毫秒的時間內(nèi)，X-Y數(shù)控工作臺驅(qū)動模塊接受計算機(jī)發(fā)出的脈沖信號，驅(qū)動X-Y數(shù)控工作臺[7]向右平移一個光斑直徑的距離(大約0.1mm)，從而實現(xiàn)激光掃描道的搭接，以獲得大面積的激光作用區(qū)。通過計算機(jī)控制激光器電源，從而控制激光輸出功率。通過離焦改變光斑直徑，從而改變激光作用區(qū)的功率密度。激光在工件[4]上的掃描速度可以通過改變旋轉(zhuǎn)工作臺[6]的轉(zhuǎn)速獲得。其具體轉(zhuǎn)速可由光電測速器[8]獲得。激光快速掃描的過程中計算機(jī)輸出電脈沖打開與噴嘴[9]相連的電磁閥，冷卻介質(zhì)(如液氮、液氦等)由噴嘴[9]直接噴射到工件[4]上激光作用區(qū)的基體側(cè)面。以上四個參數(shù)(激光功率、光斑直徑、掃描速度、冷卻介質(zhì)噴速)綜合改變即可在工件表面獲得適當(dāng)?shù)睦鋮s速度。從而可在基體材料表面形成微晶、非晶、納米晶等亞穩(wěn)相。也可以先在基體材料表面用PVD、CVD、真空熱噴涂等手段涂覆一層特定成分的合金粉末，諸如Al-Cu-Fe、Fe-B、Al-Mn等，通過控制直流電機(jī)[5]低速驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作臺[6]作低掃描速度的激光合金化處理，使熔融合金成分充分均勻化。最后，使旋轉(zhuǎn)工作臺[6]高速旋轉(zhuǎn)，從而得到所需的切向掃描速度。以激光輸出功率4500W為例，當(dāng)光斑直徑聚焦到0.05mm時，由公式F＝4P/πd2得，功率密度可達(dá)到106W/cm2，工件在如此高的掃描速度下，并以液氮冷卻基體，可得表層材料獲得1010K/s以上的冷卻速度，從而可以在材料表面形成力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)以及化學(xué)等各方面性能優(yōu)良的、非晶、準(zhǔn)晶和納米晶等亞穩(wěn)態(tài)薄膜。以滿足工程實際中的特殊要求。
將本發(fā)明的裝置用作高真空激光蒸發(fā)沉積制備非晶/準(zhǔn)晶/納米晶薄膜裝置如圖2所示，將真空室外驅(qū)動電機(jī)由直流電機(jī)[6]換為步進(jìn)電機(jī)[10]。在真空室[3]的頂蓋上裝上基體夾具[11]。在旋轉(zhuǎn)工作臺[6]的上面換上靶材夾具[12]，夾具上有四個靶位[13]，所以可同時固定多個母相金屬靶。譬如，要在鋁基體上沉積Al-Cu-Fe準(zhǔn)晶態(tài)合金薄膜，先將經(jīng)過充分拋光和清洗處理的鋁試樣固定在基體夾具[11]上，再將高純度的Al、Cu、Fe母相金屬靶分別固定在靶材夾具[12]的三個靶位上?？紤]三種金屬的熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓以及對激光的吸收率不同的影響，激光束在每種靶材上的作用時間比應(yīng)在具體工藝中探索。通過對步進(jìn)電機(jī)[10]的控制模塊預(yù)先編程，使之按如下規(guī)律驅(qū)動真空室[3]內(nèi)的旋轉(zhuǎn)工作臺[5]母相金屬靶經(jīng)過激光束作用區(qū)時，步進(jìn)電機(jī)[10]以緩慢的速度驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作臺[6]使激光束能有充分的時間作用于靶材而使之蒸發(fā)；當(dāng)一個金屬靶移出激光作用區(qū)，步進(jìn)電機(jī)[10]快速驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作臺[6]使下一個金屬靶立即移入激光作用區(qū)，以實現(xiàn)快速換靶。即提高蒸發(fā)效率，又節(jié)省激光資源。在換靶的瞬間，X-Y數(shù)控工作臺[7]接受計算機(jī)發(fā)出的一個脈沖信號，使整個裝置沿徑向有一個很小的位移。從而使激光束在下一個金屬靶上獲得新的作用區(qū)。蒸發(fā)過程中，可由噴嘴[9]通入氣體作為載氣或反應(yīng)氣體。整個蒸發(fā)過程，真空泵不斷從抽氣口[14]抽走氣體?？刂萍す廨敵龉β省胁囊苿铀俣取⑤d氣流速和抽氣速度等工藝參數(shù)，便可使激光蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸汽冷卻凝固后吸附在基體表面，形成所要制備的薄膜材料。
另外，本裝置還可用作微米、納米級機(jī)械的激光真空加工和熱處理裝置。
權(quán)利要求
1.一種激光真空加工裝置，其特征在于，該裝置包括真空室和機(jī)箱，真空室置于機(jī)箱的支架上，真空室內(nèi)設(shè)有工作臺，該工作臺與支架下部機(jī)箱內(nèi)的電機(jī)相連，機(jī)箱置于數(shù)控工作臺上；所述的真空室頂部開有石英玻璃窗，真空室側(cè)壁上開有抽真空口和噴嘴。
2.如權(quán)利要求1所述的加工裝置，其特征在于，其中所述的真空室的頂蓋上設(shè)有基體夾具。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光真空加工裝置,包括真空室和機(jī)箱,真空室置于機(jī)箱的支架上,真空室內(nèi)設(shè)有工作臺,該工作臺與支架下部機(jī)箱內(nèi)的電機(jī)相連,機(jī)箱置于數(shù)控工作臺上;真空室頂部開有石英玻璃窗,真空室側(cè)壁上開有抽真空口和噴嘴。應(yīng)用本發(fā)明裝置可在工件表面生成準(zhǔn)晶、非晶和納米晶等力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、化學(xué)等各方面性能優(yōu)良的新型材料。利用激光束作為熱源可在工件表層進(jìn)行真空激光元素擴(kuò)滲處理以及真空相變硬化等激光真空熱處理。
文檔編號B23K26/12GK1270872SQ00105778
公開日2000年10月25日 申請日期2000年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月7日
發(fā)明者袁偉東, 邵天敏, 陳大融, 周明 申請人:清華大學(xué)