Els aliatges de titani s'estan convertint cada cop més en el material preferit per a les estructures de suport central dels telescopis astronòmics. - Notícies

La selecció de materials per a estructures de suport de miralls de gran-obertura està canviant d'Invar i C-SiC cap aaliatges de titani. Gràcies a les seves característiques de deformació extremadament baixes, els aliatges de titani s'estan convertint en el material preferit per a aquestes estructures.

Per què l'aliatge de titani? Una mètrica clau ignorada
A mesura que les obertures dels telescopis astronòmics creixen cada cop més grans, els requisits per a la precisió de les figures de la superfície estan contra els límits físics. Per al mirall primari d'un telescopi d'ones gravitacionals basat en l'espai-, la precisió de superfície requerida és RMS Inferior o igual a λ/50-és a dir, les desviacions superficials s'han de controlar dins del rang de poc més de deu nanòmetres. A aquesta escala, fins i tot la més petita deriva dimensional de l'estructura de suport s'amplia en distorsió de la imatge. Quan es seleccionen materials per a aquestes estructures, la pràctica convencional se centra en la densitat, el mòdul de Young i el coeficient d'expansió tèrmica. Tanmateix, en aquest context específic, entra en joc una mètrica més fonamental: la força de rendiment micro-. Mentre que el límit elàstic estàndard descriu l'esforç al qual un material pateix una deformació plàstica important, el límit elàstic micro-mesura la tensió que pot suportar un material mentre només experimenta una tensió residual de l'ordre d'una part per milió. L'anàlisi de materials realitzada pel Battelle Memorial Institute per al Goddard Space Flight Center de la NASA va revelar que, entre nombrosos candidats, l'aliatge de titani de grau 5 (GR5) ofereix la proporció més alta de micro-resistència de fluència a densitat, amb una resistència de microfluència d'aproximadament 480 × 10⁶ N/m². Les estructures de suport han de suportar el pes del conjunt del mirall durant llargs períodes; si el material pateix una fluïdesa plàstica contínua i irreversible a nivell microscòpic, la figura de la superfície del mirall "desviarà" lentament. Per a un telescopi dissenyat per funcionar de manera estable durant diversos anys, aquesta deriva és molt més perjudicial que la deformació instantània. En definitiva, el valor de l'aliatge de titani rau en la seva capacitat de mantenir l'estabilitat dimensional durant tota la seva vida útil.

Condicions de funcionament tèrmiques: la concordança CTE és només el punt de partida
Mantenir una figura de superfície precisa en diferents condicions tèrmiques és el repte principal en el disseny del suport del mirall. L'aliatge de titani de grau 5 (GR5) té un coeficient d'expansió tèrmica (CTE) d'aproximadament 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, una densitat de 4,4 g/cm³ i un mòdul elàstic d'uns 109 GPa. En comparació amb els compostos Invar o carboni/carbur de silici, el CTE de GR5 no és especialment baix. Tanmateix, la selecció de material d'enginyeria mai és una competició basada en una única mètrica. En el disseny de suport central per a un mirall primari de ceràmica de vidre-de Φ500 mm, tant el casquet com la funda de suport estan fets d'aliatge de titani, amb una capa adhesiva flexible que connecta el cos del mirall amb l'estructura de suport. Les simulacions indiquen que sota un canvi de temperatura uniforme de 40 graus, la precisió de la figura superficial (RMS) es manté dins dels 4,2 nm i la freqüència fonamental del conjunt supera els 53 Hz. La capa adhesiva té un paper fonamental aquí: alleuja la càrrega del propi pes del mirall alhora que absorbeix les tensions tèrmiques causades pel desajust CTE entre l'aliatge de titani i la ceràmica de vidre-. El valor de l'aliatge de titani GR5 no rau en tenir el CTE "òptim", sinó en permetre-a través d'un disseny d'interfície racional- el control de l'estrès tèrmic dins dels límits acceptables alhora que proporciona una rigidesa estructural suficient. Això representa un enfocament d'enginyeria a nivell-de sistemes en lloc d'una simple substitució de material.

Dues configuracions: frontisses de flexió i estructures de gelosia integrades
Pel que fa al disseny estructural específic, els aliatges de titani s'utilitzen en sistemes de suport de miralls en més d'una forma, amb diferents configuracions estructurals que reflecteixen diferents filosofies de disseny. Frontisses de flexió-que fan servir la flexibilitat per superar la rigidesa. En el projecte de telescopi de mesura de precisió d'1,93-metre liderat per l'Institut d'Òptica i Tecnologia Astronòmica de Nanjing (NIAOT), l'Acadèmia Xinesa de Ciències, l'equip d'investigació va substituir els tradicionals coixinets de boles auto-alineables per Ti{-6Al{-4V (GR5) diàmetres flexibles de doble flexió. Aquesta modificació va reduir la força parasitària axial del mirall primari de 60 N a 2,5 N. Amb el suport lateral totalment operatiu, el mirall primari va aconseguir una precisió de la figura superficial de 4,15 nm RMS i 24 nm PV, complint constantment el requisit de disseny de RMS Menys o igual a λ/35 en un ampli rang de temperatures de {2 graus 5} 30 -}30. La combinació d'alta resistència elàstica i mòdul elàstic relativament baix en aliatges de titani permet que les frontisses de flexió aconsegueixin un posicionament precís dins del rang elàstic sense introduir fricció o joc. Gelosia integrada-i-estructures de pell-minimitzen el pes gràcies al disseny buit. Aquest és un dels enfocaments més innovadors dels darrers anys. En un projecte que implicava un gran mirall espacial-en voladís per a un sensor remot aeroespacial, l'Institut 508 de l'Acadèmia de Tecnologia Espacial de la Xina (CAST) va col·laborar amb la Universitat Jiao Tong de Xangai. Van utilitzar l'optimització de la topologia per determinar la macro-configuració, utilitzant una gelosia cúbica centrada en el cos (BCC) per a l'estructura interna i una pell exterior per a tancament. L'estructura de suport resultant només pesava 6,5 kg, mantenint la massa total del conjunt del mirall per sota de 16,5 kg. Els resultats de les proves van mostrar una rotació del mirall de menys de 6 segons d'arc i un desplaçament del cos rígid de menys de 0,02 mm, tots dos dins de les toleràncies per als errors d'alineació òptica.

Resum
Des de la resistència a la fluència micro-i les frontisses de flexió fins a les estructures de gelosia-impresos en 3D, el valor dels aliatges de titani en els sistemes de suport de miralls de gran-obertura va molt més enllà de la mera substitució de material. El que realment permeten és la viabilitat d'enginyeria d'aconseguir una precisió de la figura de superfície a nivell nanomètric-en condicions que impliquen amplis intervals de temperatura i funcionament a llarg-termen. Per a la indústria del titani, l'èxit en aquest camp no depèn de la capacitat de producció, sinó de la capacitat de traduir les propietats del material en solucions de disseny estructural.

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