激光真空加工装置 本发明涉及一套激光真空加工装置，属激光加工技术领域。
自本世纪60年代第一台红宝石激光器问世以来，激光技术作为一门举世瞩目的高新技术几乎在各个行业都获得了重要的应用和发展。在工业加工领域尤其显示了其独特的优势，如激光高速切割、激光深熔焊、激光钻微孔等。利用激光束的快速加热特性使表层基体金属或表面涂层瞬时升温-冷却甚至熔化-凝固，从而改变表层金属的相结构，以此改善表层材料的力学，热学，化学，乃至磁学和电学性能，由此提高工件的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化和耐高温性能，从而大大地提高产品的质量，成倍地延长产品的使用寿命和降低成本。此种以激光作为热源的热处理工艺，即为激光表面强化。目前，传统的激光表面强化工艺均是在大气环境下进行的，为防止氧化所采取的措施仅仅是用保护气体(如氮气或氩气、氦气等惰性气体)在激光束作用于金属表面的同时，将激光作用区的空气“吹走”，这样的效果显然很不理想。工件只是在保护气体与空气的混合气体的气氛环境中受激光作用而得到表面强化，对于诸如准晶、非晶、纳米晶这类性能优良但需要在高真空环境下快速冷却方可生成的亚稳相几乎无法生成。例如，钟敏霖、刘文今等，在大气环境下用氮气和氩气作为保护气体，用激光快速扫描的方法制备Fe-C-B-Si非晶态合金，由于表层材料氧化的影响，仅仅在中间层得到70μm地非晶态合金层。参阅：《中国激光》第24卷(A卷)，第9期1997年9月第847-852页和《金属热处理学报》第191期1998年3月，第42-47页。同时，Pinhero，PJ.，Anderegg，J.W等研究表明凝固过程中的氧化作用是非晶、准晶、纳米晶等亚稳相形成的障碍。参阅：《材料研究期刊》第14期第8卷1999年刊第3185-3188页。
本发明的目的是设计一种激光真空加工装置，在高真空环境下利用激光快速扫描或激光蒸发沉积等工艺手段，在金属、非金属、半导体和陶瓷材料表面，以制备传统激光表面强化工艺和常规真空炉热处理方法均难以获得的非晶、准晶、纳米晶等新型材料。
本发明设计的激光真空加工装置，包括真空室和机箱，真空室置于机箱的支架上，真空室内设有工作台，该工作台与支架下部机箱内的电机相连，机箱置于数控工作台上；真空室顶部开有石英玻璃窗，真空室侧壁上开有抽真空口和喷嘴。所述的真空室的顶盖上设有基体夹具。
本装置是利用波长为1064nm的YAG激光对石英玻璃有良好透射特性这一优点。在真空室的顶部刻一个矩形石英玻璃窗口，使YAG激光透过石英玻璃直接照射到处于真空环境下的工件表面，真空室内的旋转工作台由直流电机驱动可作高速旋转，带动工件作圆周运动，从而使激光束在工件表面获得一个大范围变化的切向扫描速度。以使工件在高真空或预定反应气体的气氛环境下与高能量的激光光子发生作用。旋转工作台上可固定一个多靶夹具，真空室内顶盖上可固定基体夹具。基体夹具和靶材夹具均可作大自由度调整，从而可使基体处于靶材的侧面和正面。激光束可以垂直照射或以一定角度斜射到母相金属靶表面，实施激光蒸发沉积制备非晶、准晶和纳米晶薄膜。旋转工作台通过动密封轴承套与真空室外的驱动电机联接。本装置用作高真空环境下对金属材料表面示实施激光快速扫描形成非晶、准晶、纳米晶化研究的科研设备，可以用来研究高真空环境下，激光与材料作用形成准晶、非晶、纳米晶等亚稳相成分的热力学、动力学和量子力学机理。通过计算机控制真空室外的步进电机，可以对均布于旋转工作台上的多个母相金属靶，按特定时间交替用高功率激光束照射蒸发，从而在高真空乃至超高真空的环境下，沉积得到特定成分的非晶或准晶态合金系。由于该装置可在高真空环境下获得很高的激光扫描速度，对实际零件表面作高真空激光热处理，可获得108K/s以上的冷却速度。因此，可在工件表面生成准晶、非晶和纳米晶等力学、热学、电学、化学等各方面性能优良的新型材料，以赋予实际工程零件所需要的特殊功能。也可吸取传统真空炉热处理的优点，在真空或者有其他保护气体的环境气氛下，用高功率密度的激光束瞬时加热-冷却或熔化一凝固表层金属或其他涂层。以此利用激光束作为热源可在工件表层进行真空激光元素扩渗处理(渗碳、渗氮、渗硼等)以及真空相变硬化等激光真空热处理。
附图说明：
图1是本装置用作真空激光快速扫描制备非晶/准晶/纳米晶薄膜装置的示意图。
图2是本装置用作真空激光蒸发沉积制备非晶/准晶/纳米晶薄膜装置的示意图。
图3是图2中靶材夹具的结构示意图。
下面结合附图详细介绍本发明的内容。
图1和图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是直流电机，6是工作台，7是数控工作台，8是光电测速器，9是喷嘴，10是步进电机，11是基体夹具，12是靶材夹具，13是靶位，14是抽真空口，15是支架，16是机箱。
如图1所示，本发明设计的激光真空加工装置，包括真空室3和机箱16，真空室3置于机箱的支架15上，真空室内设有工作台6，该工作台与支架15下部机箱16内的电机5相连，机箱置于数控工作台7上；真空室顶部开有石英玻璃窗2，真空室侧壁上开有抽真空口14和喷嘴9。上述真空室的顶盖上还可以设置基体夹具11。
下面介绍本发明的应用实例。
将本发明的装置用作高真空激光快速扫描制备非晶/准晶/纳米晶薄膜装置
如图1所示，由激光器产生的高功率激光束[1]，经聚焦透镜组聚焦后透过矩形石英玻璃窗口[2]直接照射到真空室[3]内的工件[4]上，驱动电机(作激光高速扫描处理时用直流电机[5])驱动旋转工作台[6]可以在5--10000转/秒的速度范围内旋转。在旋转工作台[6]带动工件[4]作圆周运动时，固定不动的激光束与工件[4]表面有一个切向扫描速度，其大小可以通过调节直流电机[5]的转速在5-105mm/s速度范围内无级获得。这样就实现了激光束在工件表面的快速扫描。在旋转工作台[6]带动工件[4]转过激光作用区的几个毫秒的时间内，X-Y数控工作台驱动模块接受计算机发出的脉冲信号，驱动X-Y数控工作台[7]向右平移一个光斑直径的距离(大约0.1mm)，从而实现激光扫描道的搭接，以获得大面积的激光作用区。通过计算机控制激光器电源，从而控制激光输出功率。通过离焦改变光斑直径，从而改变激光作用区的功率密度。激光在工件[4]上的扫描速度可以通过改变旋转工作台[6]的转速获得。其具体转速可由光电测速器[8]获得。激光快速扫描的过程中计算机输出电脉冲打开与喷嘴[9]相连的电磁阀，冷却介质(如液氮、液氦等)由喷嘴[9]直接喷射到工件[4]上激光作用区的基体侧面。以上四个参数(激光功率、光斑直径、扫描速度、冷却介质喷速)综合改变即可在工件表面获得适当的冷却速度。从而可在基体材料表面形成微晶、非晶、纳米晶等亚稳相。也可以先在基体材料表面用PVD、CVD、真空热喷涂等手段涂覆一层特定成分的合金粉末，诸如Al-Cu-Fe、Fe-B、Al-Mn等，通过控制直流电机[5]低速驱动旋转工作台[6]作低扫描速度的激光合金化处理，使熔融合金成分充分均匀化。最后，使旋转工作台[6]高速旋转，从而得到所需的切向扫描速度。以激光输出功率4500W为例，当光斑直径聚焦到0.05mm时，由公式F＝4P/πd2得，功率密度可达到106W/cm2，工件在如此高的扫描速度下，并以液氮冷却基体，可得表层材料获得1010K/s以上的冷却速度，从而可以在材料表面形成力学、热学、电学、磁学以及化学等各方面性能优良的、非晶、准晶和纳米晶等亚稳态薄膜。以满足工程实际中的特殊要求。
将本发明的装置用作高真空激光蒸发沉积制备非晶/准晶/纳米晶薄膜装置
如图2所示，将真空室外驱动电机由直流电机[6]换为步进电机[10]。在真空室[3]的顶盖上装上基体夹具[11]。在旋转工作台[6]的上面换上靶材夹具[12]，夹具上有四个靶位[13]，所以可同时固定多个母相金属靶。譬如，要在铝基体上沉积Al-Cu-Fe准晶态合金薄膜，先将经过充分抛光和清洗处理的铝试样固定在基体夹具[11]上，再将高纯度的Al、Cu、Fe母相金属靶分别固定在靶材夹具[12]的三个靶位上。考虑三种金属的熔点、饱和蒸汽压以及对激光的吸收率不同的影响，激光束在每种靶材上的作用时间比应在具体工艺中探索。通过对步进电机[10]的控制模块预先编程，使之按如下规律驱动真空室[3]内的旋转工作台[5]：母相金属靶经过激光束作用区时，步进电机[10]以缓慢的速度驱动旋转工作台[6]使激光束能有充分的时间作用于靶材而使之蒸发；当一个金属靶移出激光作用区，步进电机[10]快速驱动旋转工作台[6]使下一个金属靶立即移入激光作用区，以实现快速换靶。即提高蒸发效率，又节省激光资源。在换靶的瞬间，X-Y数控工作台[7]接受计算机发出的一个脉冲信号，使整个装置沿径向有一个很小的位移。从而使激光束在下一个金属靶上获得新的作用区。蒸发过程中，可由喷嘴[9]通入气体作为载气或反应气体。整个蒸发过程，真空泵不断从抽气口[14]抽走气体。控制激光输出功率、靶材移动速度、载气流速和抽气速度等工艺参数，便可使激光蒸发产生的金属蒸汽冷却凝固后吸附在基体表面，形成所要制备的薄膜材料。
另外，本装置还可用作微米、纳米级机械的激光真空加工和热处理装置。