Титаниевите сплави все повече се превръщат в предпочитан материал за опорните структури на ядрото на астрономическите телескопи. - Новини

Изборът на материали за опорни структури за огледала с голяма{0}}апертура се измества от инвар и C-SiC къмтитанови сплави. Благодарение на техните изключително ниски характеристики на деформация, титаниевите сплави се превръщат в предпочитан материал за тези конструкции.

Защо титаниева сплав? Пренебрегван ключов показател
Тъй като апертурите на астрономическите телескопи стават все по-големи, изискванията за точност на фигурата на повърхността надминават физическите граници. За основното огледало на базиран в космоса-телескоп с гравитационни вълни изискваната повърхностна точност е RMS по-малка или равна на λ/50-което означава, че отклоненията на повърхността трябва да се контролират в диапазона от малко над десет нанометра. В този мащаб дори и най-малкото изменение на размерите в поддържащата структура се увеличава до изкривяване на изображението. Когато се избират материали за такива конструкции, конвенционалната практика се фокусира върху плътността, модула на Юнг и коефициента на топлинно разширение. В този специфичен контекст обаче влиза в действие по-фундаментален показател: микро-граница на провлачване. Докато стандартната граница на провлачване описва напрежението, при което даден материал претърпява значителна пластична деформация, микро-границата на провлачване измерва напрежението, което материалът може да издържи, докато изпитва само остатъчно напрежение от порядъка на една част на милион. Проверката на материала, извършена от Мемориалния институт Battelle за Центъра за космически полети Goddard на НАСА, разкри, че сред многобройните кандидати титановата сплав клас 5 (GR5) предлага най-високото съотношение на микро-граница на провлачване към плътност, с микрограница на провлачане от приблизително 480 × 10⁶ N/m². Носещите конструкции трябва да носят тежестта на огледалния комплект за дълги периоди от време; ако материалът претърпи непрекъснато, необратимо пластично пълзене на микроскопично ниво, фигурата на повърхността на огледалото бавно ще се "отнесе". За телескоп, проектиран да работи стабилно в продължение на няколко години, подобно отклонение е много по-пагубно от мигновената деформация. В крайна сметка стойността на титановата сплав се крие в способността й да поддържа стабилност на размерите през целия си експлоатационен живот.

Термични работни условия: CTE съпоставянето е само началната точка
Поддържането на точна фигура на повърхността при различни термични условия е основното предизвикателство при дизайна на опората за огледалото. Титановата сплав клас 5 (GR5) има коефициент на термично разширение (CTE) приблизително 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, плътност 4,4 g/cm³ и модул на еластичност около 109 GPa. В сравнение с композитите Invar или въглерод/силициев карбид, CTE на GR5 не е особено нисък. Изборът на инженерни материали обаче никога не е състезание, базирано на един показател. В дизайна на централната опора за основно огледало от стъкло-керамика Φ500 mm, втулката и опорната втулка са изработени от титаниева сплав с гъвкав адхезивен слой, свързващ тялото на огледалото с опорната структура. Симулациите показват, че при равномерна промяна на температурата от 40 градуса, точността на фигурата на повърхността (RMS) остава в рамките на 4,2 nm, а основната честота на модула надвишава 53 Hz. Адхезивният слой играе ключова роля тук: той облекчава натоварването от собственото тегло на огледалото, като същевременно поема термичните напрежения, причинени от несъответствието на CTE между титановата сплав и стъкло-керамиката. Стойността на титановата сплав GR5 не се крие в наличието на „оптималния“ КТР, а в позволяването-чрез рационален дизайн на интерфейса-контрола на топлинното напрежение в приемливи граници, като същевременно осигурява достатъчна структурна твърдост. Това представлява инженерен подход-на системно ниво, а не просто заместване на материали.

Две конфигурации: гъвкави панти и интегрирани решетъчни структури
По отношение на специфичния структурен дизайн, титановите сплави се използват в системи за поддържане на огледала в повече от една форма, с различни структурни конфигурации, отразяващи различни философии на дизайна. Огъващи се панти-използващи гъвкавост за преодоляване на твърдостта. В проекта за телескоп за прецизно измерване на 1,93-метра, ръководен от Института по астрономическа оптика и технологии в Нанкин (NIAOT), Китайската академия на науките, изследователският екип замени традиционните само-настройващи се сачмени лагери с Ti-6Al-4V (GR5) двойно-диафрагмени огъващи се панти. Тази модификация намали аксиалната паразитна сила върху основното огледало от 60 N на 2,5 N. С напълно работеща странична опора, основното огледало постигна точност на фигурата на повърхността от 4,15 nm RMS и 24 nm PV, отговаряйки постоянно на проектното изискване за RMS По-малко или равно на λ/35 в широк температурен диапазон от -30 градуса до 30 градуса. Комбинацията от висока якост на провлачване и сравнително нисък модул на еластичност в титаниеви сплави позволява на пантите за огъване да постигнат прецизно позициониране в рамките на еластичния диапазон без въвеждане на триене или луфт. Интегрирани решетъчни-и-кожни структури-намаляване на теглото чрез кух дизайн. Това представлява един от най-новаторските подходи през последните години. В проект, включващ голямо-конзолно космическо огледало за аерокосмически дистанционен сензор, Институтът 508 към Китайската академия за космически технологии (CAST) си сътрудничи с Шанхайския университет Jiao Tong. Те използваха оптимизация на топологията, за да определят макроконфигурацията, като използваха Body-Centered Cubic (BCC) решетка за вътрешната структура и външната обшивка за корпуса. Получената опорна конструкция тежи само 6,5 kg, поддържайки общата маса на огледалния комплект под 16,5 kg. Резултатите от теста показаха въртене на огледалото от по-малко от 6 дъгови секунди и изместване на твърдото тяло от по-малко от 0,02 mm - и двете в рамките на допустимите отклонения за грешки при оптично центриране.

Резюме
От микро-граница на провлачване и панти на огъване до 3D-отпечатани решетъчни структури, стойността на титаниевите сплави в поддържащи системи за огледала с голяма-апертура се простира далеч отвъд обикновеното заместване на материали. Това, което те наистина позволяват, е инженерната осъществимост за постигане на нанометрова-точност на фигурата на повърхността при условия, включващи широки температурни диапазони и дългосрочна-работа. За титановата индустрия успехът на тази арена зависи не от производствения капацитет, а от способността да се превеждат свойствата на материала в решения за структурен дизайн.

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