Titanove zlitine vse bolj postajajo izbrani material za osnovne podporne strukture astronomskih teleskopov. - Novice

Izbor materialov za podporne strukture ogledal z veliko{0}}zaslonko se premika od invarja in C-SiC protititanove zlitine. Titanove zlitine zaradi izjemno nizkih deformacijskih lastnosti postajajo izbirni material za te strukture.

Zakaj titanova zlitina? Spregledana ključna metrika
Ker se zaslonke astronomskih teleskopov vedno bolj povečujejo, zahteve po natančnosti površinske figure dosegajo fizične meje. Za primarno zrcalo vesoljskega-teleskopa z gravitacijskimi valovi je zahtevana površinska natančnost RMS manjša ali enaka λ/50-, kar pomeni, da je treba površinska odstopanja nadzorovati v območju nekaj več kot deset nanometrov. V tem obsegu se celo najmanjši dimenzijski premik v nosilni strukturi poveča v popačenje slike. Pri izbiri materialov za takšne strukture se običajna praksa osredotoča na gostoto, Youngov modul in koeficient toplotnega raztezanja. Vendar pa v tem specifičnem kontekstu pride v poštev bolj temeljna metrika: mikro-meja tečenja. Medtem ko standardna meja tečenja opisuje obremenitev, pri kateri je material podvržen znatni plastični deformaciji, mikro-meja tečenja meri obremenitev, ki jo material lahko prenese, medtem ko doživi le preostalo obremenitev v velikosti enega dela na milijon. Preverjanje materiala, ki ga je izvedel Battelle Memorial Institute za Nasin Goddard Space Flight Center, je razkrilo, da med številnimi kandidati titanova zlitina stopnje 5 (GR5) ponuja najvišje razmerje med mikro-mejo tečenja in gostoto, z mikro mejo tečenja približno 480 × 10⁶ N/m². Podporne strukture morajo dolgo časa nositi težo sklopa ogledala; če je material podvržen neprekinjenemu, ireverzibilnemu plastičnemu lezenju na mikroskopski ravni, se bo površina zrcala počasi "odnašala". Za teleskop, zasnovan za stabilno delovanje več let, je tak odmik veliko bolj škodljiv kot trenutna deformacija. Konec koncev je vrednost titanove zlitine v njeni sposobnosti ohranjanja dimenzijske stabilnosti skozi celotno življenjsko dobo.

Toplotni delovni pogoji: ujemanje CTE je samo izhodišče
Ohranjanje natančne oblike površine v različnih temperaturnih pogojih je glavni izziv pri oblikovanju nosilca ogledala. Titanova zlitina stopnje 5 (GR5) ima koeficient toplotne razteznosti (CTE) približno 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, gostoto 4,4 g/cm³ in modul elastičnosti približno 109 GPa. V primerjavi s kompoziti Invar ali ogljik/silicijev karbid CTE GR5 ni posebej nizek. Vendar pa izbira inženirskih materialov nikoli ni tekmovanje, ki temelji na eni sami meritvi. V osrednji podporni zasnovi za steklo{12}}keramično primarno ogledalo Φ500 mm sta tako puša kot podporni tulec izdelana iz titanove zlitine, s prožnim lepilnim slojem, ki povezuje telo ogledala z nosilno strukturo. Simulacije kažejo, da pri enakomerni temperaturni spremembi za 40 stopinj ostane natančnost figure površine (RMS) znotraj 4,2 nm, osnovna frekvenca sklopa pa presega 53 Hz. Lepilna plast ima pri tem osrednjo vlogo: razbremeni obremenitev lastne teže ogledala, hkrati pa absorbira toplotne obremenitve, ki jih povzroči neusklajenost CTE med titanovo zlitino in steklo-keramiko. Vrednost titanove zlitine GR5 ni v "optimalnem" CTE, ampak v omogočanju-skozi racionalno zasnovo vmesnika-nadzor toplotne obremenitve v sprejemljivih mejah ob hkratnem zagotavljanju zadostne strukturne togosti. To predstavlja inženirski pristop-na sistemski ravni in ne preproste zamenjave materiala.

Dve konfiguraciji: upogibni tečaji in integrirane rešetkaste strukture
Kar zadeva specifično konstrukcijsko zasnovo, se titanove zlitine uporabljajo v nosilnih sistemih za ogledala v več kot eni obliki, z različnimi strukturnimi konfiguracijami, ki odražajo različne filozofije oblikovanja. Upogibni tečaji-z uporabo prilagodljivosti za premagovanje togosti. V projektu 1,93-metrskega natančnega merilnega teleskopa, ki ga vodi Inštitut za astronomsko optiko in tehnologijo Nanjing (NIAOT), Kitajska akademija znanosti, je raziskovalna skupina zamenjala tradicionalne samo-poravnavne kroglične ležaje z upogibnimi tečaji z dvojno-membrano Ti-6Al-4V (GR5). Ta sprememba je zmanjšala aksialno parazitsko silo na primarnem zrcalu s 60 N na 2,5 N. S polno delujočo bočno oporo je primarno zrcalo doseglo natančnost površinske slike 4,15 nm RMS in 24 nm PV, s čimer je dosledno izpolnjevalo konstrukcijsko zahtevo RMS manj kot ali enako λ/35 v širokem temperaturnem območju od -30 stopinj do 30 stopinj. Kombinacija visoke meje tečenja in relativno nizkega modula elastičnosti v titanovih zlitinah omogoča, da upogibni tečaji dosežejo natančno pozicioniranje znotraj elastičnega območja brez vnosa trenja ali zračnosti. Vgrajene rešetkaste-in-kožne strukture-minimirajo težo zaradi votle zasnove. To predstavlja enega najbolj prelomnih pristopov v zadnjih letih. Pri projektu, ki vključuje veliko-konzolno vesoljsko ogledalo za vesoljski daljinski senzor, je Inštitut 508 Kitajske akademije za vesoljsko tehnologijo (CAST) sodeloval s šanghajsko univerzo Jiao Tong. Za določitev makrokonfiguracije so uporabili optimizacijo topologije, pri čemer so za notranjo strukturo uporabili kubično mrežo s središčem telesa (BCC) in zunanjo oblogo za ohišje. Nastala podporna konstrukcija je tehtala le 6,5 kg, pri čemer je skupna masa sklopa ogledala ostala pod 16,5 kg. Rezultati testa so pokazali rotacijo zrcala za manj kot 6 ločnih sekund in premik togega telesa za manj kot 0,02 mm – oboje je v okviru toleranc za napake optične poravnave.

Povzetek
Od mikro-meja tečenja in upogibnih tečajev do 3D-natisnjenih rešetkastih struktur, vrednost titanovih zlitin v podpornih sistemih za zrcala z veliko-zaslonko daleč presega zgolj zamenjavo materiala. Kar resnično omogočajo, je inženirska izvedljivost doseganja nanometrske-natančnosti površinske slike v pogojih, ki vključujejo široka temperaturna območja in dolgoročno-delovanje. Za industrijo titana uspeh v tej areni ni odvisen od proizvodne zmogljivosti, temveč od zmožnosti prevajanja lastnosti materiala v konstrukcijske rešitve.

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