Stopy tytanu coraz częściej stają się materiałem wybieranym na podstawowe konstrukcje wsporcze teleskopów astronomicznych. - Aktualności

Wybór materiałów na konstrukcje wsporcze zwierciadeł-o dużej aperturze zmienia się z Invaru i C-SiC nastopy tytanu. Dzięki wyjątkowo niskiej charakterystyce odkształceń stopy tytanu stają się materiałem z wyboru na te konstrukcje.

Dlaczego stop tytanu? Przeoczany kluczowy wskaźnik
W miarę jak apertury teleskopów astronomicznych stają się coraz większe, wymagania dotyczące dokładności figur powierzchni przekraczają ograniczenia fizyczne. W przypadku zwierciadła głównego kosmicznego-teleskopu fal grawitacyjnych wymagana dokładność powierzchni wynosi RMS mniejsza lub równa λ/50-, co oznacza, że odchylenia powierzchni muszą być kontrolowane w zakresie nieco ponad dziesięciu nanometrów. W tej skali nawet najmniejsze odchylenie wymiarowe konstrukcji nośnej jest powiększane i prowadzi do zniekształcenia obrazu. Przy wyborze materiałów na takie konstrukcje konwencjonalna praktyka skupia się na gęstości, module Younga i współczynniku rozszerzalności cieplnej. Jednak w tym konkretnym kontekście w grę wchodzi bardziej podstawowy wskaźnik: mikro-wydajność. Podczas gdy standardowa granica plastyczności opisuje naprężenie, przy którym materiał ulega znacznemu odkształceniu plastycznemu, mikro-granica plastyczności mierzy naprężenie, jakie materiał może wytrzymać, doświadczając jedynie szczątkowego odkształcenia rzędu jednej części na milion. Przegląd materiałów przeprowadzony przez Battelle Memorial Institute dla Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda w NASA wykazał, że spośród wielu kandydatów stop tytanu klasy 5 (GR5) oferuje najwyższy stosunek mikro-granicy plastyczności do gęstości, przy mikrogranicy plastyczności wynoszącej około 480 × 10⁶ N/m². Konstrukcje wsporcze muszą wytrzymać ciężar zespołu lusterek przez długi czas; jeśli materiał ulega ciągłemu, nieodwracalnemu pełzaniu plastycznemu na poziomie mikroskopowym, figura na powierzchni lustra będzie powoli „dryfować”. W przypadku teleskopu zaprojektowanego do stabilnej pracy przez kilka lat taki dryft jest znacznie bardziej szkodliwy niż chwilowe odkształcenie. Ostatecznie wartość stopu tytanu polega na jego zdolności do utrzymania stabilności wymiarowej przez cały okres użytkowania.

Termiczne warunki pracy: Dopasowanie CTE to dopiero punkt wyjścia
Utrzymanie precyzyjnego rysunku powierzchni w różnych warunkach termicznych jest głównym wyzwaniem przy projektowaniu wsporników lusterek. Stop tytanu klasy 5 (GR5) ma współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) wynoszący około 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, gęstość 4,4 g/cm3 i moduł sprężystości około 109 GPa. W porównaniu z kompozytami Invar lub węgiel/węglik krzemu, współczynnik CTE GR5 nie jest szczególnie niski. Jednak wybór materiałów inżynieryjnych nigdy nie jest konkurencją opartą na jednym wskaźniku. W przypadku centralnego wspornika dla głównego lustra-ze szkła ceramicznego Φ500 mm zarówno tuleja, jak i tuleja wsporcza są wykonane ze stopu tytanu, z elastyczną warstwą kleju łączącą korpus lustra z konstrukcją nośną. Symulacje wskazują, że przy równomiernej zmianie temperatury o 40 stopni dokładność figury powierzchniowej (RMS) utrzymuje się w granicach 4,2 nm, a częstotliwość podstawowa zespołu przekracza 53 Hz. Warstwa kleju odgrywa tu kluczową rolę: odciąża ciężar własny lustra, pochłaniając jednocześnie naprężenia termiczne spowodowane niedopasowaniem współczynnika CTE pomiędzy stopem tytanu a-ceramiką szklaną. Wartość stopu tytanu GR5 nie polega na „optymalnym” współczynniku CTE, ale na umożliwieniu-poprzez racjonalne projektowanie interfejsu-kontroli naprężeń termicznych w akceptowalnych granicach, przy jednoczesnym zapewnieniu wystarczającej sztywności konstrukcyjnej. Stanowi to podejście inżynieryjne na poziomie-systemu, a nie proste zastąpienie materiału.

Dwie konfiguracje: zawiasy elastyczne i zintegrowane konstrukcje kratowe
Jeśli chodzi o specyficzny projekt konstrukcyjny, stopy tytanu są wykorzystywane w systemach wsporników lusterek w więcej niż jednej postaci, z różnymi konfiguracjami strukturalnymi odzwierciedlającymi różne filozofie projektowania. Zawiasy elastyczne-wykorzystujące elastyczność w celu pokonania sztywności. W ramach projektu teleskopu pomiarowego o średnicy 1,93{4}m, prowadzonego przez Instytut Optyki i Technologii Astronomicznej w Nanjing (NIAOT) Chińskiej Akademii Nauk, zespół badawczy wymienił tradycyjne-nastawne łożyska kulkowe na zawiasy z podwójną membraną Ti-6Al{21}}4V (GR5). Ta modyfikacja zmniejszyła osiową siłę pasożytniczą działającą na zwierciadło główne z 60 N do 2,5 N. Przy całkowicie sprawnym podparciu bocznym zwierciadło główne osiągnęło dokładność kształtu powierzchni na poziomie 4,15 nm RMS i 24 nm PV, stale spełniając wymagania projektowe RMS mniejsze lub równe λ/35 w szerokim zakresie temperatur od -30 stopni do 30 stopni. Połączenie wysokiej granicy plastyczności i stosunkowo niskiego modułu sprężystości stopów tytanu umożliwia elastycznym zawiasom osiągnięcie precyzyjnego pozycjonowania w zakresie sprężystości bez powodowania tarcia i luzu. Zintegrowane struktury siatkowe-i-powłokowe-minimalizujące wagę dzięki pustej konstrukcji. Jest to jedno z najbardziej przełomowych podejść ostatnich lat. W ramach projektu obejmującego duże-wspornikowe lustro kosmiczne do zdalnego czujnika lotniczego, Instytut 508 Chińskiej Akademii Technologii Kosmicznej (CAST) współpracował z Uniwersytetem Jiao Tong w Szanghaju. Zastosowali optymalizację topologii, aby określić makrokonfigurację, wykorzystując siatkę sześcienną skupioną wokół ciała (BCC) jako strukturę wewnętrzną i zewnętrzną powłokę jako obudowę. Powstała konstrukcja nośna ważyła zaledwie 6,5 kg, utrzymując całkowitą masę zespołu lustra poniżej 16,5 kg. Wyniki testów wykazały obrót zwierciadła mniejszy niż 6 sekund łukowych i przemieszczenie korpusu sztywnego mniejsze niż 0,02 mm – oba mieszczą się w granicach tolerancji błędów ustawienia optycznego.

Streszczenie
Od mikro-przegubów plastycznych i elastycznych po struktury siatkowe-drukowane w 3D – wartość stopów tytanu w systemach wsporników zwierciadeł o dużej{{3}aperturze wykracza daleko poza zwykłe zastąpienie materiału. To, co naprawdę umożliwiają, to inżynierska wykonalność polegająca na osiągnięciu-nanometrowej dokładności figur powierzchniowych w warunkach obejmujących szeroki zakres temperatur i-długoterminową pracę. W przypadku branży tytanowej sukces na tym polu nie zależy od zdolności produkcyjnej, ale od możliwości przełożenia właściwości materiałów na rozwiązania konstrukcyjne.

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