آلیاژهای تیتانیوم به طور فزاینده ای به مواد منتخب برای ساختارهای پشتیبانی هسته تلسکوپ های نجومی تبدیل می شوند. - News

انتخاب مواد برای ساختارهای پشتیبان آینه بزرگ-در حال تغییر از Invar و C{1}}SiC به سمتآلیاژهای تیتانیوم. آلیاژهای تیتانیوم به دلیل ویژگی‌های تغییر شکل بسیار کم، به مواد انتخابی برای این سازه‌ها تبدیل می‌شوند.

چرا آلیاژ تیتانیوم؟ یک متریک کلیدی نادیده گرفته شده
با بزرگ‌تر شدن روزنه‌های تلسکوپ‌های نجومی، الزامات برای دقت شکل سطح در برابر محدودیت‌های فیزیکی قرار می‌گیرد. برای آینه اولیه یک تلسکوپ موج گرانشی فضایی{1}}، دقت سطح مورد نیاز RMS کمتر یا مساوی با λ/50{6}} است، به این معنی که انحرافات سطح باید در محدوده کمی بیش از ده نانومتر کنترل شوند. در این مقیاس، حتی کوچکترین جابجایی ابعادی در ساختار پشتیبانی به اعوجاج تصویری بزرگ‌نمایی می‌شود. هنگام انتخاب مواد برای چنین سازه هایی، تمرین معمولی بر چگالی، مدول یانگ و ضریب انبساط حرارتی تمرکز می کند. با این حال، در این زمینه خاص، یک معیار اساسی‌تر مطرح می‌شود: قدرت تسلیم میکرو. در حالی که مقاومت تسلیم استاندارد تنشی را توصیف می‌کند که در آن یک ماده دچار تغییر شکل پلاستیکی قابل‌توجهی می‌شود، استحکام تسلیم میکرو، تنشی را اندازه‌گیری می‌کند که یک ماده می‌تواند تحمل کند در حالی که فقط کرنش باقیمانده در حدود یک قسمت در میلیون را تجربه می‌کند. غربالگری مواد که توسط مؤسسه یادبود Battelle برای مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا انجام شد، نشان داد که در میان نامزدهای متعدد، آلیاژ تیتانیوم درجه 5 (GR5) بالاترین نسبت میکرو{13}}استحکام تسلیم به چگالی را با قدرت تسلیم ریز تقریباً 480 × 10⁶ N/m ارائه می‌کند. سازه های نگهدارنده باید وزن مجموعه آینه را در مدت زمان طولانی تحمل کنند. اگر ماده در سطح میکروسکوپی دچار خزش پلاستیکی غیرقابل برگشت و مداوم شود، شکل سطح آینه به آرامی "رانش خواهد شد". برای تلسکوپی که برای عملکرد پایدار در طی چندین سال طراحی شده است، چنین رانشی بسیار مضرتر از تغییر شکل آنی است. در نهایت، ارزش آلیاژ تیتانیوم در توانایی آن برای حفظ ثبات ابعادی در طول عمر مفید آن نهفته است.

شرایط عملیات حرارتی: تطبیق CTE فقط نقطه شروع است
حفظ شکل دقیق سطح در شرایط مختلف حرارتی چالش اصلی در طراحی پشتیبانی آینه است. آلیاژ تیتانیوم درجه 5 (GR5) دارای ضریب انبساط حرارتی (CTE) تقریباً 9.1 × 10-6 K-1، چگالی 4.4 g/cm3 و مدول الاستیک حدود 109 GPa است. در مقایسه با کامپوزیت های Invar یا کربن/سیلیکون کاربید، CTE GR5 به خصوص پایین نیست. با این حال، انتخاب مواد مهندسی هرگز یک رقابت بر اساس یک معیار واحد نیست. در طراحی پشتیبان مرکزی برای آینه اولیه سرامیکی{12} شیشه‌ای Φ500، هر دو بوش و آستین پشتیبانی از آلیاژ تیتانیوم ساخته شده‌اند، با یک لایه چسب انعطاف‌پذیر که بدنه آینه را به ساختار پشتیبانی متصل می‌کند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که تحت یک تغییر دمای یکنواخت 40 درجه، دقت شکل سطح (RMS) در 4.2 نانومتر باقی می‌ماند و فرکانس بنیادی مجموعه بیش از 53 هرتز است. لایه چسب در اینجا نقش محوری ایفا می کند: بار وزن خود آینه را کاهش می دهد در حالی که تنش های حرارتی ناشی از عدم تطابق CTE بین آلیاژ تیتانیوم و شیشه{18}}سرامیک را جذب می کند. ارزش آلیاژ تیتانیوم GR5 در داشتن CTE "بهینه" نیست، بلکه در توانمندسازی-از طریق طراحی رابط منطقی{22}}کنترل تنش حرارتی در محدوده‌های قابل قبول و در عین حال استحکام ساختاری کافی است. این یک رویکرد مهندسی سطح سیستم{24}}به جای یک جایگزینی ساده مواد است.

دو پیکربندی: لولاهای خمشی و ساختارهای شبکه یکپارچه
از نظر طراحی ساختاری خاص، آلیاژهای تیتانیوم در سیستم‌های پشتیبان آینه به بیش از یک شکل استفاده می‌شوند، با پیکربندی‌های ساختاری مختلف که منعکس‌کننده فلسفه‌های طراحی متمایز است. لولاهای خمشی{1}}با استفاده از انعطاف پذیری برای غلبه بر استحکام. در پروژه تلسکوپ اندازه‌گیری دقیق 1.93 متری که توسط مؤسسه فناوری و اپتیک نجومی نانجینگ (NIAOT)، آکادمی علوم چین رهبری می‌شود، تیم تحقیقاتی بلبرینگ‌های سنتی-خود هم‌تراز را با Ti{20}}6Al-4V (GR2}dual{2gem) دیافره{2} جایگزین کردند. این اصلاح نیروی انگلی محوری روی آینه اولیه را از 60 نیوتن به 5/2 نیوتن کاهش داد. با عملکرد کامل پشتیبانی جانبی، آینه اولیه به دقت شکل سطحی 4.15 نانومتر RMS و 24 نانومتر PV دست یافت که به طور مداوم نیاز طراحی RMS کمتر از یا مساوی با دامنه دمایی λ/35 در عرض λ/35 درجه وسیعی از λ/35 درجه سانتی‌گراد را برآورده می‌کند. ترکیبی از استحکام تسلیم بالا و مدول الاستیک نسبتاً کم در آلیاژهای تیتانیوم، لولاهای خمشی را قادر می‌سازد تا بدون ایجاد اصطکاک یا واکنش متقابل به موقعیت دقیق در محدوده الاستیک دست یابند. شبکه یکپارچه-و{29}}ساختارهای پوستی{35}}به حداقل رساندن وزن از طریق طراحی توخالی. این یکی از راهگشاترین رویکردها در سال های اخیر است. در پروژه‌ای شامل یک آینه فضایی بزرگ-برای حسگر راه دور هوافضا، مؤسسه 508 آکادمی فناوری فضایی چین (CAST) با دانشگاه جیائو تونگ شانگهای همکاری کرد. آنها از بهینه‌سازی توپولوژی برای تعیین پیکربندی کلان استفاده کردند و از یک شبکه مکعبی مرکزی (BCC) برای ساختار داخلی و یک پوسته بیرونی برای محفظه استفاده کردند. ساختار تکیه گاه حاصل تنها 6.5 کیلوگرم وزن داشت و مجموع جرم مجموعه آینه را زیر 16.5 کیلوگرم نگه داشت. نتایج آزمایش چرخش آینه ای کمتر از 6 ثانیه قوس و جابجایی بدنه صلب کمتر از 0.02 میلی متر را نشان داد که هر دو در محدوده تحمل خطاهای تراز نوری قرار دارند.

خلاصه
از میکرو-استحکام تسلیم و لولاهای خمشی گرفته تا ساختارهای مشبک چاپی سه بعدی-، ارزش آلیاژهای تیتانیوم در سیستم‌های پشتیبانی آینه‌های بزرگ-بسیار فراتر از جایگزینی مواد است. چیزی که آنها واقعاً امکان‌پذیر می‌کنند، امکان‌سنجی مهندسی دستیابی به دقت شکل سطح نانومتری-در شرایطی شامل محدوده دمایی وسیع و عملکرد طولانی‌مدت- است. برای صنعت تیتانیوم، موفقیت در این عرصه نه به ظرفیت تولید، بلکه به توانایی تبدیل خواص مواد به راه حل های طراحی سازه بستگی دارد.

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