Aliajele de titan devin din ce în ce mai mult materialul de alegere pentru structurile de sprijin de bază ale telescoapelor astronomice. - Știri

Selecția de materiale pentru structurile de susținere a oglinzii cu deschidere mare-se trece de la Invar și C-SiC cătrealiaje de titan. Datorită caracteristicilor lor de deformare extrem de scăzute, aliajele de titan devin materialul de alegere pentru aceste structuri.

De ce aliaj de titan? O valoare cheie trecută cu vederea
Pe măsură ce deschiderile telescoapelor astronomice cresc din ce în ce mai mult, cerințele pentru precizia figurii la suprafață împing împotriva limitelor fizice. Pentru oglinda primară a unui telescop cu undă gravitațională bazată pe spațiu-, precizia necesară a suprafeței este RMS Mai mică sau egală cu λ/50-, ceea ce înseamnă că deviațiile de suprafață trebuie controlate în intervalul de puțin peste zece nanometri. La această scară, chiar și cea mai mică deviere dimensională a structurii suport este mărită în distorsiunea imaginii. Atunci când se selectează materiale pentru astfel de structuri, practica convențională se concentrează pe densitate, modulul Young și coeficientul de dilatare termică. Cu toate acestea, în acest context specific, o măsură mai fundamentală intră în joc: puterea de curgere micro-. În timp ce limita de curgere standard descrie solicitarea la care un material suferă o deformare plastică semnificativă, micro-rezistența de curgere măsoară solicitarea pe care o poate suporta un material în timp ce suferă doar deformații reziduale de ordinul unei părți per milion. Cercetarea materialelor efectuată de Institutul Battelle Memorial pentru Centrul de zbor spațial Goddard al NASA a dezvăluit că, printre numeroșii candidați, aliajul de titan de gradul 5 (GR5) oferă cel mai mare raport dintre forța de curgere micro- și densitate, cu o rezistență de curgere micro de aproximativ 480 × 10⁶ N/m². Structurile de susținere trebuie să suporte greutatea ansamblului oglinzii pe perioade lungi; dacă materialul suferă o curgere continuă, ireversibilă a plasticului la nivel microscopic, figura de suprafață a oglinzii se va „deriva” încet. Pentru un telescop proiectat să funcționeze stabil pe parcursul mai multor ani, o astfel de deplasare este mult mai dăunătoare decât deformarea instantanee. În cele din urmă, valoarea aliajului de titan constă în capacitatea sa de a menține stabilitatea dimensională pe toată durata de viață.

Condiții termice de funcționare: Potrivirea CTE este doar punctul de plecare
Menținerea unei cifre precise a suprafeței în diferite condiții termice este provocarea principală în proiectarea suportului oglinzii. Aliajul de titan de gradul 5 (GR5) are un coeficient de dilatare termică (CTE) de aproximativ 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, o densitate de 4,4 g/cm³ și un modul elastic de aproximativ 109 GPa. În comparație cu Invar sau compozitele de carbon/carbură de siliciu, CTE-ul GR5 nu este deosebit de scăzut. Cu toate acestea, selecția materialelor de inginerie nu este niciodată o competiție bazată pe o singură măsură. În proiectarea suportului central pentru o oglindă primară din sticlă-ceramică de Φ500 mm, atât bucșa, cât și manșonul de susținere sunt realizate din aliaj de titan, cu un strat adeziv flexibil care conectează corpul oglinzii de structura suport. Simulările indică faptul că, la o schimbare uniformă a temperaturii de 40 de grade, precizia cifrei de suprafață (RMS) rămâne în intervalul de 4,2 nm, iar frecvența fundamentală a ansamblului depășește 53 Hz. Stratul adeziv joacă un rol esențial aici: ușurează sarcina propriei greutăți a oglinzii, absorbind în același timp tensiunile termice cauzate de nepotrivirea CTE dintre aliajul de titan și ceramica-sticlă. Valoarea aliajului de titan GR5 nu constă în a avea CTE „optim”, ci în a permite-prin proiectarea rațională a interfeței-controlul stresului termic în limite acceptabile, oferind simultan o rigiditate structurală suficientă. Aceasta reprezintă o abordare de inginerie-la nivel de sisteme, mai degrabă decât o simplă înlocuire de material.

Două configurații: balamale flexibile și structuri cu zăbrele integrate
În ceea ce privește designul structural specific, aliajele de titan sunt utilizate în sistemele de susținere a oglinzilor în mai multe forme, cu diferite configurații structurale care reflectă filozofii de proiectare distincte. Balamale flexibile-folosind flexibilitatea pentru a depăși rigiditatea. În cadrul proiectului telescopului de măsurare cu precizie de 1,93-metri condus de Institutul de Optică și Tehnologie Astronomică Nanjing (NIAOT), Academia Chineză de Științe, echipa de cercetare a înlocuit rulmenții tradiționali cu bile cu auto-aliniere cu Ti{-6Al{-4V (GR5) flexuri dual{22}diaz. Această modificare a redus forța parazitară axială asupra oglinzii primare de la 60 N la 2,5 N. Cu suportul lateral pe deplin funcțional, oglinda primară a obținut o precizie a suprafeței de 4,15 nm RMS și 24 nm PV, îndeplinind în mod constant cerințele de proiectare RMS Mai puțin sau egal cu λ/35 într-un interval larg de temperatură de - 30 - 30. Combinația dintre limită de curgere ridicată și modulul elastic relativ scăzut în aliajele de titan permite balamalelor de îndoire să atingă o poziționare precisă în intervalul elastic fără a introduce frecare sau joc. Grile integrate-și-structuri de piele-minimizând greutatea prin designul gol. Aceasta reprezintă una dintre cele mai inovatoare abordări din ultimii ani. Într-un proiect care implică o oglindă spațială mare-consolă pentru un senzor aerospațial de la distanță, Institutul 508 al Academiei Chinei de Tehnologie Spațială (CAST) a colaborat cu Universitatea Jiao Tong din Shanghai. Ei au folosit optimizarea topologiei pentru a determina macro-configurația, utilizând o rețea cubică centrată pe corp (BCC) pentru structura internă și o piele exterioară pentru incintă. Structura de susținere rezultată a cântărit doar 6,5 kg, menținând masa totală a ansamblului oglinzii sub 16,5 kg. Rezultatele testelor au arătat o rotație a oglinzii de mai puțin de 6 secunde de arc și o deplasare a corpului rigid de mai puțin de 0,02 mm - ambele în limitele toleranțelor pentru erorile de aliniere optică.

Rezumat
De la micro-limita de curgere și balamalele de încovoiere până la structurile tip zăbrele imprimate-3D, valoarea aliajelor de titan în sistemele de suport pentru oglinzi cu deschidere mare-se extinde cu mult dincolo de simpla înlocuire a materialelor. Ceea ce permit cu adevărat este fezabilitatea inginerească de a obține o precizie a suprafeței la nivel de nanometri-în condiții care implică intervale largi de temperatură și funcționare pe termen lung-. Pentru industria titanului, succesul în acest domeniu depinde nu de capacitatea de producție, ci de capacitatea de a traduce proprietățile materialului în soluții de proiectare structurală.

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