本發明涉及非晶合成領域，具體涉及一種利用脈沖激光制備非晶合金裝置、方法及應用。

背景技術：

非晶合金(又稱金屬玻璃)是由超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結晶，得到的固態合金是長程無序結構，沒有晶態合金的晶粒、晶界存在。非晶態合金因其有別于一般金屬的諸多獨特性能，使其成為凝聚態物理學的前沿領域，成為國內外材料科學界的研究開發重點。

在50多年的發展過程中出現了許多用于制備非晶材料的技術，主要包括液相急冷法[brownlm,paisa,pippardsb.twentiethcen-turyphysics.bristolandphiladelphia:instituteofphysicspublishing,1995]、沉積薄膜法[kramerj.annln.phys.1934,19:37]、多層膜界面固相反應法、機械合金化法、反溶化方法、離子束混合和電子輻射法、氫化法、壓致非晶化法等[johnsonwl.prog.mater.sci.,1986,30:81]。其中液相急冷法是現如今使用最為廣泛，可用于實現大塊非晶合金材料制備的有效手段。基于液相急冷思想也發展出諸多實用技術，包括噴濺冷卻、雙輥極冷軋制法、單滾筒離心冷卻法、水淬法、助溶劑包裹法、金屬模澆法等[pondr.maddinr.tms-aime,1969,245:2475；chenhs.millerce.rev.sci.instru.,1970,41:1237]。然而采用現有液相急冷技術能夠達到的最大冷卻約10⁶k/s[progressinphysics,33,177(2013)]，也被認為液相金屬互熔體能否形成非晶態合金的界限。這意味著，對于需要冷卻速度達到更快的合金材料，現有液相冷卻技術將無法制備。

脈沖激光對材料進行處理已經廣泛應用于產業，例如激光焊接、激光切割、激光打標、激光表面處理、激光增材制造等。現有的脈沖激光對非晶材料的處理也多圍繞上述應用進行，如cn102218607b中提供了塊體非晶合金的脈沖激光切割方法，cn105364314a提供了一種對于fesib非晶帶材獲得非晶接頭的焊接方法，cn102719625a提供了一種提高塊體非晶合金及其結構件室溫塑性的方法及裝置等。目前為止，脈沖激光技術尚未被應用于非晶材料的制備領域。

技術實現要素：

鑒于現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種利用脈沖激光制備非晶合金裝置、方法及應用，實現了高效制備傳統液相極冷技術無法制備的非晶合金，擴大了非晶材料體系。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種利用脈沖激光制備非晶合金的方法，所述方法為：利用脈沖激光將合金材料加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區域快速冷卻，得到非晶合金。

本發明通過控制脈沖能量利用脈沖激光對合金材料進熔化處理后，采用短脈沖寬度的激光范圍，能夠獲得極高的區域冷卻速度，材料冷卻速度最高可達10¹²k/s，遠高于現有液相急冷技術所能獲得的最高冷卻速度10⁶k/s，進而可以得到更多種非晶材料。本發明可以高效制備傳統液相極冷技術無法制備的非晶合金，從而擴大了非晶材料體系。

根據本發明，所述脈沖激光的脈沖寬度為1ps-1s，例如可以是1ps、10ps、100ps、1ns、10ns、100ns、1μs、10μs、100μs、1ms、10ms、100ms或1s等，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。

根據本發明，所述脈沖激光的脈沖強度為0.01mj-10mj，例如可以是0.01mj、0.02mj、0.05mj、0.08mj、0.1mj、0.3mj、0.5mj、0.8mj、1mj、3mj、5mj、8mj或10mj，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。

對于本發明而言，脈沖激光調節器可調節的脈沖寬度和脈沖能量均適用于本發明，并不僅限于上述的1ps-1s和0.01mj-10mj。

本發明通過調節脈沖激光的脈沖寬度、脈沖強度、脈沖時域以及脈沖空域，用于控制合金材料的加熱溫度和降溫速度：脈沖強度主要控制材料的加熱溫度，脈沖強度越大，溫度越高，材料越易熔化；合金熔化區域的冷卻速度隨著脈沖激光脈寬的增加而逐漸減小，如圖2所示，隨著脈沖寬度由1ps(10^-12s)逐漸增加到1s，冷卻速度從10¹²k/s逐漸降低到10²k/s。其中，所述脈沖激光的脈沖寬度包括但不限于1ps-1s，所述脈沖激光的脈沖強度包括但不限于0.01mj-10mj，所述脈沖激光的時域波形為短上升沿及緩慢衰減，所述空域波形為光斑中心較光斑邊緣弱。

本發明中，任何形態的合金材料均適用于本發明，優選地，本發明所述的合金材料可以為合金塊體或合金薄膜，但非僅限于此。

根據本發明，所述合金薄膜的厚度為10nm-100nm，例如可以是10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。

本發明利用本領域的常規技術制備所述合金薄膜，例如可以通過磁控濺射或熱蒸發等技術進行制備，但非僅限于此，凡是能夠制備合金薄膜的技術都適用于本發明。

根據本發明，所述合金熔化區域的冷卻速度為10²k/s-10¹²k/s；例如可以是10²k/s、10³k/s、10⁴k/s、10⁵k/s、10⁶k/s、10⁷k/s、10⁸k/s、10⁹k/s、10¹⁰k/s、10¹¹k/s或10¹²k/s，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。

第二方面，本發明提供一種脈沖激光制備非晶合金裝置，所述裝置包括脈沖激光發射裝置和待處理樣品(106)；其中，所述脈沖激光發射裝置包括脈沖激光器(101)、隔離器(102)、時域調節器(103)、空域調節器(104)以及聚焦鏡(105)；在脈沖激光器(101)發射的激光光路上從上至下依次設置隔離器(102)、時域調節器(103)、空域調節器(104)以及聚焦鏡(105)；在所待處理樣品(106)上劃分樣品微區(107)，所述樣品微區(107)周圍設置局部真空環境(108)；所述脈沖激光發射裝置位于樣品微區(107)正上方。

為了防止樣品被氧化，本發明選擇在樣品微區(107)周圍設置局部真空環境(108)，所述局部真空環境(108)可以通過外部設備制造得到，例如在脈沖激光發射裝置光路上與樣品貼合處設置一個半圓形裝置，可通過泵對其抽真空，進而達到使樣品微區(107)處于真空環境的目的。同樣，也可以把待處理樣品(106)直接置于真空環境中。設置真空環境的方式有多種，本發明對此不做特殊限定，應當理解為：只要使利用脈沖激光制備非晶合金時作用的區域置于真空環境下即可。

根據本發明，所述待處理樣品(106)即為用于制備非晶合金的合金材料，優選為合金塊體或合金薄膜。

本發明可以任選地在所述脈沖激光制備非晶合金裝置中設置非晶檢測裝置；利用所述非晶檢測裝置可以實現對合金熔化區域快速冷卻后得到的非晶合金區域進行檢測。

所述非晶檢測裝置可以為本領域公知的非晶合金的檢測手段，優選為反射率檢測裝置或xrd檢測裝置。

根據本發明，所述脈沖激光制備非晶合金裝置還包括組件控制、數據分析裝置；所述組件控制、數據分析裝置為一臺計算機，所述計算機與脈沖激光發射裝置、樣品控制裝置以及非晶檢測裝置相連接，對上述組件進行控制及數據分析。

第三方面，本發明提供一種如第二方面所述的裝置的應用，所述應用的具體操作為：利用計算機控制脈沖激光器(101)發射激光，激光上從上至下依次經過隔離器(102)、時域調節器(103)、空域調節器(104)以及聚焦鏡(105)，最終落在待處理樣品(106)上的樣品微區(107)；所述樣品微區(107)周圍設置局部真空環境(108)；將樣品微區(107)加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區域快速冷卻，得到非晶合金。

與現有技術方案相比，本發明至少具有以下有益效果：

本發明通過可控脈沖能量束對合金材料進行處理，并進行快速冷卻，最快冷卻速度可達10¹²k/s，比現有技術提高數個量級，實現了高效制備傳統液相極冷技術無法制備的非晶合金，擴大了非晶材料體系，是用于制備新型非晶的新手段。

附圖說明

圖1為本發明提供的脈沖激光制備非晶合金裝置的結構示意圖，圖中：101-脈沖激光器，102-隔離器，103-時域調節器，104-空域調節器，105-聚焦鏡，106-待處理樣品，107-樣品微區，108-局域真空環境；

圖2為脈沖激光的降溫速度與脈沖寬度變化曲線，圖中橫坐標為脈沖寬度，縱坐標為冷卻速度。

下面對本發明進一步詳細說明。但下述的實例僅僅是本發明的簡易例子，并不代表或限制本發明的權利保護范圍，本發明的保護范圍以權利要求書為準。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。

本發明在具體實施例部分提供了一種脈沖激光制備非晶合金裝置，如圖1所示：所述裝置包括脈沖激光發射裝置和待處理樣品(106)；其中，所述脈沖激光發射裝置包括脈沖激光器(101)、隔離器(102)、時域調節器(103)、空域調節器(104)以及聚焦鏡(105)；在脈沖激光器(101)發射的激光光路上從上至下依次設置隔離器(102)、時域調節器(103)、空域調節器(104)以及聚焦鏡(105)；在所待處理樣品(106)上劃分樣品微區(107)，所述樣品微區(107)周圍設置局部真空環境(108)；所述脈沖激光發射裝置位于樣品微區(107)正上方。

優選地，所述脈沖激光制備非晶合金裝置還包括一臺用于對上述組件進行控制及數據分析的計算機。

本發明在具體實施例部分還提供了一種利用脈沖激光制備非晶合金的方法，所述方法為：利用脈沖激光將合金材料加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區域快速冷卻，得到非晶合金。

優選地，本發明利用上述脈沖激光制備非晶合金裝置制備非晶合金。

為更好地說明本發明，便于理解本發明的技術方案，本發明的典型但非限制性的實施例如下：

實施例1

本實施例提供了一種脈沖激光制備非晶合金裝置，所述裝置包括：脈沖激光發射裝置和待處理樣品106；其中，所述脈沖激光發射裝置包括脈沖激光器101、隔離器102、時域調節器103、空域調節器104以及聚焦鏡105；在脈沖激光器101發射的激光光路上從上至下依次設置隔離器102、時域調節器103、空域調節器104以及聚焦鏡105；在所待處理樣品106上劃分樣品微區107，在所述樣品微區107周圍設置局部真空環境108；所述脈沖激光發射裝置位于樣品微區107正上方。

所述脈沖激光制備非晶合金裝置還包括一臺用于對上述組件進行控制及數據分析的計算機。

按照以下方法利用脈沖激光制備非晶合金：

以厚度為50nm的鋅鎂鋁合金薄膜作為待處理樣品，利用上述脈沖激光制備非晶合金裝置進行制備。

控制脈沖強度為2mj，脈沖寬度為1ns，利用計算機控制脈沖激光器101發射激光，激光上從上至下依次經過隔離器102、時域調節器103、空域調節器104以及聚焦鏡105，最終落在待處理樣品106上的樣品微區107；在所述樣品微區107周圍設置局部真空環境108；將樣品微區107加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區域以10¹⁰k/s的冷卻速度快速冷卻，得到鋅鎂鋁非晶合金。

實施例2

本實施例提供了一種脈沖激光制備非晶合金裝置，所述裝置除了設有反射率檢測裝置外，其他組件和結構與實施例1中的裝置完全相同。

按照以下方法利用脈沖激光制備非晶合金：

以鈣鎂鋅合金塊體作為待處理樣品，利用上述脈沖激光制備非晶合金裝置進行制備。

控制脈沖強度為10mj，脈沖寬度為1ns，利用計算機控制脈沖激光器101發射激光，激光上從上至下依次經過隔離器102、時域調節器103、空域調節器104以及聚焦鏡105，最終落在待處理樣品106上的樣品微區107；在所述樣品微區107周圍設置局部真空環境108；將樣品微區107加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區域以10¹⁰k/s的冷卻速度快速冷卻，得到鈣鎂鋅非晶合金。利用反射率檢測裝置對得到的鋅鎂鋁非晶合金區域進行檢測，確定其是否形成了非晶合金及形成區域面積。

實施例3

控制脈沖激光的脈沖能量為8mj，脈沖寬度為1μs，輸出脈沖激光，對厚度為30nm銅鋯鋁合金薄膜進行加熱，加熱區域熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區域10⁸k/s的冷卻速度快速冷卻，在激光的光斑區域內得到銅鋯鋁非晶合金。保持同樣的脈沖能量和脈沖寬度，利用脈沖激光掃描整個樣品，實現大范圍非晶制備。

申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細結構特征，但本發明并不局限于上述詳細結構特征，即不意味著本發明必須依賴上述詳細結構特征才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明所選用部件的等效替換以及輔助部件的增加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。

以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。