Титанові сплави все частіше стають матеріалом вибору для основних опорних структур астрономічних телескопів. - Новини

Вибір матеріалів для опорних конструкцій дзеркал із великою-апертурою зміщується від інвару та C-SiC дотитанові сплави. Завдяки надзвичайно низьким характеристикам деформації титанові сплави стають матеріалом вибору для цих конструкцій.

Чому титановий сплав? Ключовий показник, який не враховується
У міру того як апертури астрономічних телескопів дедалі збільшуються, вимоги до точності фігури поверхні висувають фізичні межі. Для основного дзеркала космічного-телескопа з гравітаційними хвилями необхідна точність поверхні становить RMS менше або дорівнює λ/50-, що означає, що відхилення поверхні потрібно контролювати в межах трохи більше десяти нанометрів. У цьому масштабі навіть найменший дрейф розмірів опорної конструкції збільшується до спотворення зображення. При виборі матеріалів для таких конструкцій звичайна практика орієнтується на щільність, модуль Юнга та коефіцієнт теплового розширення. Однак у цьому конкретному контексті в гру вступає більш фундаментальна метрика: мікро-межа текучості. У той час як стандартна межа текучості описує напругу, при якій матеріал зазнає значної пластичної деформації, мікро-межа текучості вимірює напругу, яку може витримати матеріал, відчуваючи лише залишкову деформацію порядку однієї частки на мільйон. Скринінг матеріалу, проведений Меморіальним інститутом Баттелла для Центру космічних польотів імені Годдарда НАСА, показав, що серед багатьох кандидатів титановий сплав класу 5 (GR5) пропонує найвище співвідношення мікро-межі текучості до щільності з мікротекучістю приблизно 480 × 10⁶ Н/м². Опорні конструкції повинні витримувати вагу дзеркала протягом тривалого часу; якщо матеріал зазнає безперервної, необоротної пластичної повзучості на мікроскопічному рівні, фігура поверхні дзеркала повільно «дрейфує». Для телескопа, призначеного для стабільної роботи протягом кількох років, такий дрейф набагато згубніший, ніж миттєва деформація. Зрештою, цінність титанового сплаву полягає в його здатності зберігати стабільність розмірів протягом усього терміну служби.

Теплові робочі умови: відповідність КТР – це лише відправна точка
Підтримка точної фігури поверхні в різних температурних умовах є основною проблемою в конструкції опори для дзеркал. Титановий сплав класу 5 (GR5) має коефіцієнт теплового розширення (КТР) приблизно 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, щільність 4,4 г/см³ і модуль пружності приблизно 109 ГПа. Порівняно з інваром або композитами вуглець/карбід кремнію КТР GR5 не є особливо низьким. Однак вибір інженерних матеріалів ніколи не є змаганням, заснованим на одному показнику. У конструкції центральної опори для головного дзеркала зі склокераміки Φ500 мм і втулка, і опорна втулка виготовлені з титанового сплаву з гнучким клейовим шаром, який з’єднує корпус дзеркала з опорною конструкцією. Моделювання показує, що за рівномірної зміни температури на 40 градусів точність фігури поверхні (RMS) залишається в межах 4,2 нм, а основна частота вузла перевищує 53 Гц. Клейовий шар відіграє тут ключову роль: він знімає навантаження від власної ваги дзеркала, поглинаючи термічні навантаження, спричинені невідповідністю КТР між титановим сплавом і скло-керамікою. Цінність титанового сплаву GR5 полягає не в «оптимальному» КТР, а в тому, щоб-через раціональну конструкцію інтерфейсу-контролювати термічну напругу в прийнятних межах, одночасно забезпечуючи достатню структурну жорсткість. Це являє собою системний{24}}технічний підхід, а не просту заміну матеріалу.

Дві конфігурації: гнучкі петлі та інтегровані решітчасті конструкції
З точки зору конкретного структурного дизайну, титанові сплави використовуються в системах опор дзеркал у більш ніж одній формі, з різними структурними конфігураціями, що відображають різні філософії дизайну. Гнучкі петлі-використовують гнучкість для подолання жорсткості. У проекті вимірювального телескопа з точним вимірюванням розміром 1,93-метра під керівництвом Нанкінського інституту астрономічної оптики та технологій (NIAOT) Академії наук Китаю дослідницька група замінила традиційні-кулькові підшипники з самоцентруванням шарнірами з подвійною-діафрагмою Ti-6Al-4V (GR5). Ця модифікація зменшила осьову паразитну силу на головному дзеркалі з 60 Н до 2,5 Н. Коли бічна опора була повністю працездатною, основне дзеркало досягло точності фігури поверхні 4,15 нм RMS і 24 нм PV, незмінно відповідаючи вимогам щодо RMS менше або дорівнює λ/35 у широкому діапазоні температур від -30 градусів до 30 градусів. Поєднання високої межі текучості та відносно низького модуля пружності в титанових сплавах дає змогу гнучким шарнірам досягати точного позиціонування в межах пружного діапазону без тертя чи люфту. Інтегрована решітка-і-структури оболонки-зводять до мінімуму вагу завдяки порожнистому дизайну. Це один із найбільш новаторських підходів за останні роки. У проекті великого-консольного космічного дзеркала для аерокосмічного дистанційного датчика Інститут 508 Китайської академії космічних технологій (CAST) співпрацював із Шанхайським університетом Цзяо Тонг. Вони застосували оптимізацію топології для визначення макроконфігурації, використовуючи Body-Centered Cubic (BCC) решітку для внутрішньої структури та зовнішню оболонку для корпусу. Отримана опорна конструкція важила лише 6,5 кг, а загальна маса дзеркала в зборі становила менше 16,5 кг. Результати випробувань показали обертання дзеркала менше 6 кутових секунд і зміщення твердого тіла менше 0,02 мм — обидва вони знаходяться в межах допустимих похибок оптичного вирівнювання.

Резюме
Цінність титанових сплавів у опорних системах для дзеркал із великою-апертурою — від мікро-межі текучості та шарнірів на вигин до 3D-надрукованих гратчастих структур — виходить далеко за рамки простої заміни матеріалів. Те, що вони справді забезпечують, — це інженерна здійсненність досягнення нанометрової-точності фігури поверхні в умовах широкого діапазону температур і тривалої-експлуатації. Для титанової промисловості успіх на цій арені залежить не від виробничих потужностей, а від здатності перетворювати властивості матеріалу в конструктивні рішення.

Gr7 Titanium-Pd alloy Forged Ring factory Grade 9 Titanium alloy forged bar in stock