[實用新型]金屬快速凝固過程中界面動力學信息的測量裝置

無效

• 申請號: 01248452.0
• 申請日: 2001-06-29
• 公開（公告）號: CN2482691Y
• 公開（公告）日: 2002-03-20
• 發明（設計）人: 楊院生;童文輝;朱仕學;李處森;惠希東;陳曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G01N25/04
• 分類號: G01N25/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利代理有限責任公司
• 代理人: 許宗富,周秀梅

本實用新型涉及金屬材料的快速凝固技術，具體地說是一種金屬快速凝固過程中界面動力學信息的測量裝置。

采用高能激光進行表面加工，具有表面快速重熔和快速非平衡凝固的優點，已經成為材料制備和改變組織結構的非常重要的手段之一。迄今為止，對于激光快速熔凝過程，科學工作者根據平衡或非平衡相變模型已經進行了大量的傳熱傳質等的數值研究。最初假設在界面處存在熱力學平衡狀態，界面溫度固定在相圖標定熔點溫度，界面移動速度主要由散熱速度決定，后來又提出了非平衡凝固的概念，但是假定凝固過程是在低于熔點某一固定溫度下進行的，且根據動力學理論計算了這一溫度。近來，有人結合熱傳導和晶體生長動力學理論對霧化粉末顆粒進行了數值計算，與傳統金屬相變問題的差異主要在于非平衡凝固時界面溫度為可變，而此可變參數則由界面速度與過冷度之間的關系決定，由此對平板、圓柱體和球體的快速凝固過程進行的數值模擬與雙輥法制備Al-Al₂Cu共晶合金的實驗結果吻合較好。利用線性動力學理論和界面跟蹤法對濺射激冷非平衡凝固問題也進行了研究，并評價了基底材料、熔體初始溫度、形核溫度和線性動力學系數等對凝固過程的影響。

由于存在著傳熱、傳質和非平衡熔化與凝固動力學的交互作用，表面重熔和凝固過程非平衡效應的研究非常復雜，固/液界面的邊界條件由包含界面速度、溫度和成分的界面響應函數來表達。到目前為止利用各種非平衡動力學關系的研究已經建立了一些表面熔化和凝固的理論模型，如數值模擬脈沖激光熔化非晶Si薄膜時研究動力學誘發的過熱和過冷問題、貴金屬表面熔化和凝固過程、將熱質傳輸與界面速度相耦合研究激光脈沖加熱條件下的平面凝固過程、激光上釉過程等等。

但是，上述數值模擬研究由于缺乏金屬快速凝固過程的動力學數據，所獲得的凝固速率等工藝參數也缺乏可信度。快速凝固過程測量方法有很多，例如：紅外熱像法，但只能測得溫度信號；另外也有用紅外高溫計法測量溫度場的，但上述方法均不能測得關于界面動力學信息，因為過程的冷卻速度非常快(＞10⁶K/s)，通常的實驗手段無法對快速熔化凝固過程進行觀察與測量，實驗測試難度極大。

本實用新型的目的在于提供一種能滿足快速凝固過程測量需要、準確性高的金屬快速凝固過程中界面動力學信息的測量裝置。

為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是：它由脈沖激光器、透鏡組、光束均衡器、樣品、恒溫預熱裝置、數字恒流源、數字示波器、探頭濾波器組成，所述激光器由計算機控制啟動，通過透鏡組、光束均衡器將光束打在樣品的工作電阻上，恒溫預熱裝置5置于樣品下樣品臺上，數字恒流源為測量電路提供恒定電流，樣品兩端電壓信號經探頭濾波器接入數字示波器，再經計算機處理。

所述樣品為工作電阻、絕緣膜、基體自上而下設置結構，其中：工作電阻往復折迭式排列，通過電極與測量電路電連接。

本實用新型具有如下優點：

1.具有能滿足快速凝固過程測量需要、捕獲其界面動力學信息的特點。本實用新型能夠跟蹤金屬在激光作用下發生的快速熔化和凝固過程，并捕獲其界面動力學信息。采樣頻率可達2.5GS/s，以滿足測量快速凝固過程的需要，準確地測量金屬快速凝固時溫度及界面信息隨時間的變化。另外，本實用新型采用的數字示波器、恒流源及采樣電路能響應樣品電阻的快速變化，能夠準確采集快速凝固過程中樣品電阻的變化信息，實現過程的實時跟蹤與測量，為研究快速凝固過程提供了一種可靠的實驗手段，同時為數值模擬研究奠定了實驗基礎。

2.測量準確。本實用新型的工作電阻為樣品的一部分，薄膜式，能滿足激光表面熔凝處理時加熱面積小的要求，其電阻值達到Ω量級，準確性高，其實驗重現性為0.5％。

附圖1為本實用新型結構示意圖。

附圖2-1為附圖1中工作電阻和電極在樣品上的連接結構俯視圖。

附圖2-2為附圖2-1中工作電阻的局部放大圖。

附圖3為附圖1中樣品發生快速凝固過程時的測量原理圖。

附圖4-a為附圖1中樣品發生快速凝固過程時測得其電阻及固/液界面位置隨時間的變化圖。

附圖4-b為附圖1中樣品發生快速凝固過程時其固/液界面移動速度隨

界面位置的變化圖。

下面通過實施例詳述本實用新型。