автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка и исследование технологического процесса изготовления оптических зеркал из бериллия

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГТ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

го

^^-

~ ГОбУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 681.7.062:681.7.03 ЛЮБАРСКИЙ Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ ИЗ БЕРИЛЛИЯ

Специальность: 05.11.14 - технология приборостроения

Диссертация

в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в ГОСУДАРСТВЕННОМ НАУЧНОМ ЦЕНТРЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "ГОИ им.С.И.Вавнлова"

Официальные оппоненты: 1. Доктор технических наук

М.Н.Сокольский

2. Доктор технических наук Н.В.Мнлов

Ведущее предприятие: АО ЛОМО Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится - 1998 г., в

" " час." " мин. на заседании специализированного ученого совета Д 053.26.03 при Государственном институте точной механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, ул.Саблинская, 14.

Отзывы на диссертацию в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю ученого совета.

Диссертация разослана Л 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук Ю.П.Кузьмин,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................... 4

1. Анализ и выбор конструкционных материалов для

изготовления облегченных зеркал ............................ 9

2. Исследование бериллия - нового материала оптического приборостроения ........................................... 13

3. Разработка конструкций облегченных зеркал из бериллия.

Способы крепления зеркал .................................. 16

4. Разработка концепции технологии изготовления облегченных оптических зеркал из бериллия ТШП .......................... 19

5. Разработка и исследование технологических процессов механической обработки корпусов зеркал из

бериллия ТШП ............................................. 22

6. Разработка и исследование технологического процесса

оптической обработки бериллия ТШП ......................... 27

7. Разработка и исследование технологического процесса нанесения конструкционного стеклянного покрытия

на бериллий ТШП .......................................... 30

8. Разработка и исследование технологических процессов размерной стабилизации облегченных остеклованных

зеркал из бериллия ТШП ..........................'......... 34

9. Оптическое формообразование. Нанесение оптических

. покрытий. Испытания. Гигиена бериллия ..................... 37

10. Отработка и внедрение технологии изготовления

облегченных остеклованных бериллиевых зеркал ............. 38

Основные результаты работы ................................. 41

Список литературы ......................................... 42

ВВЕДЕНИЕ

к

В истории развития оптических систем можно отчетливо выделить две тенденции: конкуренцию линзовых (рефракторных) и зеркальных (рефлекторных) систем и конкуренцию стекла и металла в качестве материалов для изготовления зеркал.

Со времени создания Галилеем в 1609 г. первой оптической системы - линзового телескопа начали предприниматься попытки преодоления недостатков рефракторной оптики, основными из которых являются хроматические и сферические аберрации.

В результате до середины XVIII века развитие линзовых телескопов шло по пути создания длиннофокусных (30-40 м и более) телескопов сравнительно небольшого диаметра (4-20 см), для которых обе аберрации становятся малыми.

Альтернативная идея создания телескопов с использованием зеркал была высказана еше при жизни Галилея, однако более совершенные оптические схемы были предложены позже - Д.Грегори (1663 г.) и Кассегреном (1672 г.), причем схема Кассегрена и схема Ричи-Кретьена получили наиболее широкое распространение. Первые удачные модели оптических зеркальных систем с зеркалами из металлических материалов были созданы Ньютоном в 1668-1671 гг. Главным преимуществом рефлекторов являются отсутствие хроматических аберраций и принципиальная возможность устранения сферических аберраций, благодаря чему некоторое время астрономы отдают предпочтение зеркальным телескопам, с их более четкими и яркими изображениями.

В качестве материала зеркал использовался "зеркальный" сплав на основе меди, что в то время давало единственную возможность получать оптические поверхности с достаточно высоким коэффициентом отражения. К наивысшим достижениям того времени относятся телескоп Гершеля с бронзовым зеркалом диаметром 1220 мм (1773 г.) и телескоп У.Парссшса (лорда Росса) с бронзовым зеркалом диаметром 1820 мм (1845 г.).

Между тем появление методов расчета ахроматических линзовых систем (1758 г), совершенствование технологии варки крупногабаритных заготовок оптического стекла привели к быстрому прогрессу рефракторных систем. В течение следующих 140 лет диаметр линзовых телескопов непрерывно увеличивался. В 1898 г. в Йеркской обсерватории близ Чикаго вступил в строй самый большой в мире (диаметр 1020 мм) линзовый телескоп. При этом, по существу, был достигнут предел размеров линзовых приборов вследствие огромных трудностей получения однородных заготовок стекла для линз такого размера, больших деформаций линз под действием собственного веса и сильного уменьшения яркости изображения из-за большой толщины линз. В последние 100' лет не предпринимаются попытки превзойти это достижение.

Позиции зеркальных систем по сравнению с линзовыми сильно укрепились, когда в середине XIX века французским физиком Фуко и независимо от него немецким физиком Штейигелем был изобретен метод нанесения на стекло серебряного отражающего слоя, а затем в 1930 г. появился метод нанесения алюминиевых отражающих покрытий. Возможность замены металлических зеркал на более высококачественные стеклянные с почти вдвое бблыпим отражением быстро обеспечила зеркальным системам ведущее положение в астрономических исследованиях.

Историческая конкуренция рефракторных и рефлекторных систем завершилась убедительной победой последних в тех случаях, когда необходимо обеспечить возможность существенного увеличения диаметра объектива, а следовательно, чувствительности и разрешающей способности телескопа [1].

Предположение, что в перспективе будут создаваться все более крупные рефлекторы подтвердилось всем дальнейшим развитием наземного и космического теле-скопостроения:

• 1949 г. - в обсерватории Маунт-Паломар в США был введен в строй рефлектор с пятиметровым облегченным (ячеистым) монолитным стеклянным главным зеркалом;

• 1976 г. - в СССР на Кавказе около станицы Зеленчукской в Специальной астрофизической обсерватории (CAO) АН СССР начинает эксплуатироваться большой азимутальный телескоп (БТА) с шестиметровым монолитным стеклянным главным зеркалом;

• 1990 г. - на орбиту земли выведен космический телескоп "Хаббл" (Hubble Space Telescope) с главным облегченным монолитным зеркалом диаметром 2,4 метра. Главное зеркало телескопа "Хаббл" состоит из двух пластин (передняя и задняя поверхности зеркала) толщиной около 25 мм, находящихся друг от друга на расстоянии 250 мм и соединенных методом спекания между собой сотовой конструкцией из ребер толщиной около 10 мм. В качестве материала для пластин и ребер использован легированный кварц ULE (ultralow expansion) со сверхмалмм коэффициентом линейного расширения;

• 1994 г. - начал работать десятиметровый телескоп В.М.Кека, который установлен на горе Мауна Кеа (Гавайи, США). Главное зеркало телескопа состоит из 36 гексагональных сегментов. Каждый сегмент имеет внеосевую асферическую оптическую поверхность, изготовлен из церодура ("Zerodur") и имеет размеры монолитного шестригранника, вписанного в окружность диаметром 1800 мм.

Приведенные примеры демонстрируют тенденцию развития рефлекторных оптических систем, что в ближайшие десятилетия будет подтверждаться введением в экс-

плуатацию наземных зеркальных крупногабаритных телескопов и космических зеркальных систем, находящихся сейчас на различных стадиях разработки и изготовления, для астрономических, астрофизических, аэрометрических и т.п. наблюдение и исследований [2].

Убедительная победа зеркальных систем не привела к разрешению исторического спора между стеклянными и металлическими материалами при изготовлении оптических зеркал, несмотря на то, что используемые для изготовления зеркал стекло и стеклообразные материалы, которые с полным основанием могут быть названы традиционными оптическими материалами (ТОМ), встретили серьезную конкуренцию со стороны металлов и других, нетрадиционных для оптики материалов.

После эпохи бронзовых зеркал, которая в основном закончилась в начале второй половины XIX века, в 30-х годах нашего века, выдающийся ученый-оптик Д.Д.Махсутов возвращается к идее использования металлических зеркал в астрономических приборах. Он обращает внимание разработчиков оптических систем на преимущество использования металлов с точки зрения их физико-механических и тепло-физических свойств и создает опытные образцы зеркал (размером до 500 мм) из сплавов железа, меди н алюминия [3].

Новейший этап истории развития оптических зеркал, начало которого, видимо, следует отнести в США к 60-м годам, а в СССР к 70-м, связан с развитием космических оптических систем различного назначения, разработкой и созданием лазерной техники, а также с развитием крупногабаритного наземного гелескопостроения.

В этот период в СССР возникла необходимость замены целого ряда существующих на тот момент космических зеркальных оптических систем на оптические системы нового поколения, с более совершенными параметрами и более широкими функциональными возможностями, работающими в более широком диапазоне длин волн - от рентгеновского и ультрафиолетового до инфракрасного и субмиллиметрового. При этом стремились осуществлять запуск в космос вновь создаваемых оптических систем на ракетах-носителях используемых ранее.

В этой связи к оптическим зеркалам была предъявлена совокупность новых, зачастую экстремальных требований по условиям эксплуатации и характеристикам, в том числе по габаритам, точности формы оптической поверхности, оптико-физическим параметрам (отражение, рассеяние и т.п.), динамическим нагрузкам, рабочим температурным полям (от мощного теплового воздействия до криогенных температур). Особо следует отметить очень жесткие требования по минимизации массы зеркал, которая в конечном счете определяет массу всей оптической аппаратуры.

Удовлетворение вышеизложенных требований в рамках традиционного опыта

создания зеркал из стекла и стеклообразных материалов оказалось практически невозможным и привело к необходимости разработки новых подходов к созданию оптических зеркал и новых технологий их создания.

Настоящая диссертационная работа направлена на решение задачи создания облегченных оптических зеркал для информационных космических систем - и в этом состоит ее актуальность.

Работа посвящена исследованию и разработке технологии изготовления космических облегченных оптических зеркал с вогнутой и выпуклой асферической и плоской формами оптической поверхности диаметром до 1000 мм, массой зеркал в пределах 40-50 кг на 1 м3 оптической поверхности, максимальным коэффициентом зеркального отражения и минимальным рассеянием для рабочих длин волн на оптических поверхностях.

Точности формы оптической поверхности зеркал должна обеспечивать создание космических систем дифракциоиного качества для работы в видимой и ИК областях спектра.

Среднеквадратичное отклонение формы оптической поверхности стсто от рас-X.

четной не должно превышать ~ , где Хр - рабочая длина волны.

Облегченные зеркала оптических космических систем должны сохранять точность формы оптической поверхности (обладать размерной стабильностью) как на всех этапах изготовления, так н при эксплуатации в составе аппаратуры.

Из изложенного логически вытекает цель диссертационной работы, которая состоит

о в анализе конструкционных материалов для изготовления оптических зеркал, обоснованном выборе, исследовании и практическом использовании бериллия в качестве конструкционного материала облегченных оптических зеркал;

э в разработке концепции создания (изготовления) облегченных оптических зеркал из бериллия - последовательности основных технологических операций;

• в разработке и исследовании целого ряда технологий для возможности осуществления отдельных операций изготовления зеркал (технология изготовления корпусов зеркал, технология нанесения конструкционного стеклянного покрытия, совокупность технологий обеспечивающих размерную стабильность зеркал и т.п.);

» во внедрении результатов исследований и разработок в производство облегченных бериллиевых зеркал, их испытании и аттестации.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые в СССР был разработан,

исследован и внедрен в производство технологический процесс изготовления облегченных оптических зеркал из бериллия диаметром до 1000 мм.

Впервые в мировой практике разработан и исследован ряд новых технологий, необходимых для осуществления отдельных этапов создания облегченных космических зеркал из бериллия.

Впервые в мировой практике выявлены взаимосвязь и взаимное влияние механических, термических, химических, оптических и других используемых технологий при интеграции их в единый технологический процесс создания оптических зеркал из бериллия.

Практическая ценность работы состоит в том, что по разработанному и внедренному в производство технологическому процессу изготовления облегченных оптических зеркал была изготовлена целая гамма космических оптических зеркал для систем и комплексов различного назначения, часть из которых эксплуатируется до настоящего времени [4,5].

Научные результаты интеграции отдельных технологий в технологический процесс создания оптических зеркал из бериллия легли в основу создания технологий изготовления оптических зеркал из других нетрадиционных для оптики материалов (алюминиевых и медных сплавов, кремния, карбида кремния и т.п.).

Это позволило создать зеркала, которые работают в экстремальных условиях и в разнообразных оптических и лазерных приборах и системах [2].

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Технологический процесс изготовления оптических зеркал из бериллия со стеклянным конструкционным покрытием. Концепция. Последовательность технологических операций. Их необходимость и достаточность.

2. Методика выбора материалов для создания оптических зеркал.

3. Разработка и исследование новых технологий для процесса изготовления зеркал из бериллия:

3.1. Технология механической обработки корпусов зеркал из бериллия.

3.2. Технология нанесения конструкционного стеклянного покрытия на бериллий.

3.3. Технология размерной стабилизации остеклованных бериллиевых зеркал.

4. Результаты внедрения технологии изготовления оптических зеркал из бериллия.

1. Анализ и выбор конструкционных материалов для изготовления облегченных зеркал.

Важнейшим требованием к зеркалам космических информационных систем является обеспечение минимальной массы при заданных функциональных характеристиках - размерах, точности формы оптической поверхности и оптико-физических характеристиках.

Наряду с этими требованиями при разработке возможных путей создания космических зеркал необходимо принимать во внимание следующие определяющие обстоятельства. В отличие от зеркал наземных приборов, условия эксплуатации космических зеркал (невесомость) и изготовления (действие силы тяжести) принципиально отличаются. Кроме того, принципиально различают требования к соединению зеркала с кесущими конструкциями прибора. Наземные зеркала, как правило, лишь касаются несущей конструкции в зонах, расположенных на тыльной и боковой поверхностях, нагружая ее составляющими собственного веса. Очевидно, что такая идеология крепления непригодна в случае космических зеркал, испытывающих значительные инерционные, вибрационные и ударные нагрузки в период вывода на орбиту.

Анализ опыта создания зеркал из традиционных оптических материалов, при учете изложенных выше обстоятельств, приводит к выводу, что рассчитывать на успех решения поставленных задач можно только в рамках концепции космического зеркала как "жесткого" зеркала, т.е. способного сохранять форму оптической поверхности в пределах заданных допусков во всех условиях изготовления и эксплуатации.

Суммируя вышеизложенное, можно сформулировать следующие основные требования к материалам для космических облегченных оптических зеркал:

• минимальная плотность р;

• максимальный модуль упругости Е;

• минимальный температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) а;

• максимальная теплопроводность X;

• изотропность физико-механических и теплофизических свойств;

• высокая размерная (конфигурационная) стабильность во времени;

• наличие заготовок диаметром до 1200 мм;

о технологические свойства, позволяющие изготавливать зеркала с минимальными затратами.

Возможность практической реализации этой концепции потребовала поиска но-

вых материалов, с принципиально иными (по сравнению с традиционными оптическими материалами) весо-жесткостиыми характеристиками.

В табл.1 приведены физико-механические и теплофизическне параметры традиционных и нетрадиционных материалов.

Наименьшей плотностью (р) и максимальным модулем упругости (Е) обладает бериллий, у которого рекордное значение удельной жесткости (Е/р). По удельной жесткости бериллий превосходит ТОМ в 5 раз, а другие легкие металлы - в 6 и более раз. Последнее означает, что при одинаковых геометрических размерах и конфигурации деформация формы оптической поверхности зеркал из бериллия будет в такое же число раз меньше, по сравнению с зеркалами из других материалов.

С другой стороны, при одинаковой деформации формы оптической поверхности зеркал под действием силы тяжести (одинаковой жесткости) зеркала из традиционных оптических материалов и других металлов будут тяжелее бериллиевых в два и более раз (табл.1).

При оценках возможной экономии массы аппаратуры в целом следует учитывать, что снижение массы зеркал влечет за собой снижение массы несущих конструк-. ций. Кроме того, при использовании бериллия для изготовления зеркал может быть исключена проблема согласования температурного коэффициента линейного расширения материале зеркала и несущих конструкций, требующая введения термокомпенсаторов.

Важное значение при анализе и выборе материала для оптических зеркал имеют его теплофизнческие свойства, которые в конечном счете определяют термическую стабильность формы оптической поверхности при неоднородных и нестационарных окружающих тепловых полях.

Для сравнительных количественных оценок с этой точки зрения обычно используют соотношение термического коэффициента линейного расширения (а) и теплопроводности (X), т.е. а/Х, минимальное значение которого означает минимальную величину и "время жизни" термических деформаций (табл.1).

В случае ТОМ этот параметр пытались улучшить за счет разработки материалов с предельно малым TKJ1P (плавленый кварц (Si02), ситалл, ULE).

Металлы, с присущими им высокими значениями теплопроводности, позволяют реализовать альтернативный подход к этой проблеме. Как видно из табл. 1, по параме-ру а/к, характеризующему деформации при медленно меняющихся тепловых условиях, бериллий уступает только легированному плавленому кварцу (ULE). Однако за счет более высокой температуропроводности время жизни подобных переходных процессов в бериллии в 50 раз меньше.

Таблица 1

Свойства материалов, применяемых для изготовления

зеркал

Параметр Материалы

Нетрадиционные Традиционные

Be А1 Т! Si02 Си-талл ULE

Плотность р, Ю'кг/м3 1,85 2,7 4,5 2,2 2,5 2,21

Модуль упругости Е, ГПа 280 69 118 70 92 67

Удельная жесткость Е/р, Ю6м 15,1 2,7 2,7 3,2 3,7 3,1

Относительная масса при одинаковой жесткости (Е/р3)"2, 1 3,5 5,8 2,6 2,8 2,7

Теплопроводность X, Вт м"' К"' 159 220 9,6 1,38 1,2 1,3

Температурный коэффициент линейного расширения а, КГ6 К"' 11,4 23,9 8 0,55 0,1 0,03

Температурная стабильность аЛ, 10"'м/Вт 7,2 11 83 40 8,3 2,3

Температуропроводность, а, 10"4 м2/с 0,46 0,92 0,062 0,008 0,008 0,008

Наличие заготовок 0 1200 мм Нет Есть Есть Есть Есть Есть

Технологические свойства Ниже средних Хорошие Хорошие Средние- Средние Средние

Поскольку даже предельно низкие значения ТКЛР не исключают во многих случаях возможность появления недопустимых деформаций, медленное установление теплового равновесия в подобных материалах делает более предпочтительным применение бериллия.

Таким образом, анализ конструкционных материалов по основным физико-механическим и теплофизическим свойствам приводит к выбору бериллия в качестве материала для космических облегченных зеркал размером до 1000 мм.

На момент выбора бериллия в качестве материала облегченных зеркал крупногабаритные заготовки отсутствовали. Но металлургическая промышленность должна была в самое ближайшее время освоить изготовление прессованных заготовок из бериллия диаметром до 1200 мм.

При сравнительной оценке технологичности материалов, применяемых для изготовления зеркал, бериллий представляется наименее технологичным не только из-за своей токсичности в процессе обработки, что само по себе создает огромные технологические трудности, но и из-за своей хладноломкости (склонности к хрупкому разрушению и повышенной чувствительности к надрезам) и недостаточной вязкости, поскольку является металлокерамическим материалом, прессованным из порошка.

Однако, несмотря на вышизложенное, выбор остался за бериллием [1,4,6].

О возможности использования бериллия а качестве материала для изготовления оптических зеркал еще в 1958 г. писал Н.Н.Михельсон (сотрудник Главной астрономической обсерватории в Пулкове [7].

В это время в США уже широко обсуждаются проблемы создания оптических зеркал из бериллия, однако все публикуемые материалы носят рекламный характер фирм разработчиков бериллия и относятся к сортам бериллия, которые изготавливает американская промышленность, что практически не дает никакой информации о технологии изготовления зеркал [8,9,10,11,12]. После 1975 г. резко падает объем публикаций по бериллиевой оптике и до настоящего времени такие публикации носят эпизодический характер.

Для использования отечественного бериллия в оптике еще было необходимо проведение комплекса исследований крупногабаритных заготовок бериллия, поиски технологических путей преодоления анизотропии физико-механических и теплофизи-ческих свойств, иетехнологичности процессов обработки, преодоление хрупкости бериллия, разработки систем защиты от токсичности бериллия при специфических обработках, характерных для оптического приборостроения.

2. Исследование бериллии - нового материала оптического приборостроения

Во второй половине 70-х годов промышленность СССР, по техническому заданию разработчиков оптических зеркал, освоила выпуск бериллиевых заготовок методом порошковой металлургии диаметром до 1200 мм конструкционного назначения. Заготовки изготавливались из порошка бериллия технической чистоты путем горячей одноосной штамповки в стальных контейнерах в закрытых штампах на гидравлическом прессе усилием до 9,0 тыс.тонн.

Максимально полная реализация рекордно высоких весо-жесткостных свойств бериллия при создании оптических зеркал предполагает наличие заготовок, удовлетворяющих ряду специальных требований, основными из которых являются:

• максимальная однородность и изотропность свойств, в первую очередь температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР);

• определенный уровень прецизионных механических свойств (прецизионного предела упругости, релаксационной стойкости и т.д.);

• возможность получения оптической поверхности высокого качества, т.е. минимальное содержание пор, инородных включений, частиц вторичных фаз.

Поэтому с появлением первых крупногабаритных заготовок технического бериллия, штампованного из порошка (ТШП), начались интенсивные комплексные исследования их физико-механических, теплофизических и специальных свойств с целью получения всестороннего представления о новом материале и оценки возможности его использования для создания оптических зеркал. Исследования проводились на образцах, отбираемых из большого (не менее 10) количества крупногабаритных заготовок, и позволили с исчерпывающей достоверностью охарактеризовать свойства бериллия ТШП и использовать эти свойства в дальнейших разработках. Образцы отбирались в разных точках по радиусу и углу и в разных направлениях относительно оси штамповки заготовок (вдоль и поперек).

Бериллий технической чистоты содержит не менее 1% веса различных примесей, основными из которых являются кислород, содержащийся в виде окиси бериллия, и железо, входящее как в твердый раствор на основе бериллия, так и в ¿остав различных вторичных фаз (табл.2). В таблице приведены фактические значения процентного содержания бериллия и примесей, усредненные по 10 заготовкам: в числителе - предельные значения, в знаменателе - среднее значение.

Фактическая плотность бериллия ТШП равна 1,85 ± 0,002 г/см3.

Средний размер зерна бериллия марка ТШП в плоскости, перпендикулярной оси штамповки, составляет 25,3 ± 0,8 мкм, в плоскости, параллельной оси штамповки -23,3 ± 0,2 мкм. Микротвердость бериллия в тех же плоскостях равна соответственно 184 ± 4 кг/мм2 и 174 ± 4 кг/мм5.

Механические свойства бериллия - временное сопротивление разрыву о, и относительное удлшшение при разрыве 8 приведены в табл. 3, где в числителе - предельные значения, в знаменателе - средние значения.

Прецизионный предел упругости ао.ми при остаточной относительной деформации 5 • 10"5 находится на уровне 10-15 кг/мм2 и проявляет большой разброс значений как в пределах одной заготовки, так и для разных заготовок.

Модуль упругости бериллия, измеренный динамическим методом вдоль и поперек оси штамповки, составляет соответственно 278 и 270 ГПа.'

Результаты дилатометрических исследований проведенных на вакуумном кварцевом дилатометре ОЬ - 1500 (Япония) со среднеквадратичной погрешностью ±2 • 10"7 1/к приведены в табл.4, где представлены значения ТКЛР бериллия марки ТШП в состоянии после отжига и искусственного старения. Из таблицы видно, что анизотропия ТКЛР бериллия ТШП достигает 6-8%.

Удельная теплоемкость бериллия была измерена на дифференциальном сканирующем калориметре 08С-2 (США) и составила 1,07 кДж • кг"'К''.

Коэффициент теплопроводности бериллия ТШП вдоль и поперек штамповки равен соответственно 198 и 208 Вт- м"' К-1.

Как видно из изложенного, все без исключения структурно-чувствительные свойства крупногабаритных заготовок бериллия проявляют анизотропию по отношению к оси штамповки. Эта анизотропия является следствием появления преимущественной ориентации кристаллов (кристаллографической текстуры) при одноосной штамповке заготовок.

Заметная анизотропия ТКЛР крупногабаритных заготовок бериллия является одним из главных факторов, который необходимо учитывать при разработке путей создания оптических зеркал из этого материала и иметь в виду, что этот фактор способен повлиять на функциональные возможности зеркал.

Следует отметить, что многие свойства бериллия полученные при исследовании отечественных крупногабаритных заготовок отличаются от свойств бериллия, представленных в табл.1, которая составлена по литературным данным. [13-17]

Приведенные результаты не исчерпывали весь объем исследований бериллия.

Таблица 2.

Химический состав бериллия марки ТШП (% вес)

Содержание Элемент •

Ве о2 Ге А) С Р Т1

По техническим условиям 97,8 0,5-1,8 0,1-0,25 0,04 0,03 0,12 0,005 0,05

Фактическое 98,6-99 98,8 0,6«-и 0,8 0,11-0,21 0,17 0,015 0,015 0,08 0,002 0,02

Таблица 3

Механические свойства бериллия марки ТШП

Параметр Направление измерения

Поперек оси Вдоль оси

с„ кг/мм2 33,6-46 27,5 - 40,3

41,5 34,9

6, % 1,46-4,8 0,6-1,5

2,9 0,95

Таблица 4

Температурный коэффициент линейного расширения бериллия ТШП, а (10^ 1/к)

Направление измерения Интервал температур, °С

20-100 20-200 20-300 20-400

а вдоль оси штамповки 12,2 13,5 14,3 15,0

а поперек оси штамповки 13,0 14,5 15,6 16,2

3. Разработка конструкций облегченных зеркал из бериллия.

Способы крепления зеркал.

Выбор в качестве основы облегченного зеркала для космических оптических систем металла, в частности бериллия, дает возможность использовать более рациональный подход к разработке конструкции самого зеркала и способов его крепления в аппаратуре по сравнению с решением этих проблем при использовании стекла и стеклообразных материалов.

Бериллий дает возможность

• максимально снизить массу зеркала при сохранении требуемой жесткости за счет малой собственной плотности и возможности формирования облегчающих полостей;

• создать конструкции зеркал, выдерживающих в совокупности с системой крепления все инерциальные нагрузки, возникающие при выведении оптической аппаратуры в космос;

• разработать системы зеркало - несущая конструкция, которые обеспечивают сохранение точности формы оптической поверхности зеркал всех этапах изготовления и эксплуатации оптической аппаратуры, в том числе при переходе от действия силы тяжести в состояние невесомости.

Реализация концепции космического зеркал как жесткого зеркала минимальной массы потребовала разработки математических моделей н методов расчета напряженно-деформированного состояния облегченного зеркала, а также прогнозирования этого состояния в различных условиях, характерных для всех этапов изготовления, эксплуатации и хранения.

В основу разработки математических моделей зеркал были положены представления о многослойных ортотропных пластинах. Были созданы программы расчета зеркал на ЭВМ сначала численными методами, а затем методами конечных элементов. В результате расчетов определялись все конструктивные параметры зеркал и систем облегающих отверстий, а также количество пассивных точек опоры для несущих конструкций.

Разработка способов крепления зеркал велась в тесной взаимосвязи с разработкой оптимальных конструкций несущего основания зеркал. В этом смысле следует говорить о разработке узлов крепления зеркал, включающих собственно корпус зеркала, элементы его соединения с несущей конструкцией и собственно несущую конструкцию. Как показала многолетняя практика, попытки разорвать это единство неизбежно

приводят к отрицательному результату работы в целом.

Теоретически система опор может быть представлена как многоуровневая система, содержащая 3"х 2га точек опоры на корпусе зеркала, где п = 1,2,3..., а т = 0,1,2..., которые объединяются в пределах каждого уровня в группы из трех и двух точек - так называемая статически определенная система. На практике используется не более двух уровней.

Для соединения корпусов зеркал и деталей несущих конструкций используют кинематические элементы различной конфигурации, обеспечивающие трансформацию, существенное снижение усилий при их передаче от несущей конструкции к корпусу зеркала. Этим достигается сохранение точности формы оптической поверхности на всех этапах изготовления и эксплуатации. В некоторых случаях несущие конструкции реапизовываются базируясь на образующие внутренних отверстий зеркал.

В дополнение к математическим моделям и программам расчета были использованы методы физического моделирования для исследования напряженно - деформированного состояния и оптимизации конструкций. Физическое моделирование, которое вюпочает в себя изготовление и исследование физических моделей, оказалось чрезвычайно плодотворным поскольку позволило оценить адекватность разработанных математических моделей реальным ситуациям.

Таким образом, только прецизионная механическая система облегченное зеркало - несущая конструкция, как единое целое, могут обеспечить необходимые функциональные и эксплуатационные свойства зеркала для космических информационных систем [18-23].

На рис.1 представлены конструкции зеркал с различными системами облегчения и различными конструкциями тыльной стороны:

• а - квадратная и треугольная (шестигранная) системы облегчения, открытые с тыльной стороны зеркала, которое обладает минимальной жесткостью;

• б - радиальная система облегчения, полузакрытая с тыльной стороны зеркала, которое по этому обладает повышенной жесткостью;

• в - система облегчения любая, закрытая с тыльной стороны зеркала, которое в этой связи обладает максимальной жесткостью;

• г- облегченное зеркало с закрытой тыльной стороной (идентичное в), соединенное с несущей конструкцией тремя кинематическими узлами.

\ГХТ1ГГТГШ

а

5

ши.

6

■у 1,1 А

Рис.1. Конструкции зеркал

4. Разработка концепции технологии изготовления облегчении* оптических зеркал т бериллия ТШП.

При разработке технологии изготовления облегченных зеркал из бериллия принималось во внимание следующее:

4.1. Облегченное оптическое зеркало из металла (бериллия) является не только оптическим элементом, но и деталью, а вместе с несущей конструкцией - узлом точной механики. Следовательно, в технологию изготовления зеркала должны были быть включены такие технологические операции, которые бы позволили изготовить прецизионную механическую систему оптическое зеркало - несущая конструкция.

При изготовлении облегченного корпуса зеркала было выделено четыре основных технологических этапа:

• Входной контроль заготовки. На этом этапе проверяется комплектность поставки заготовки из бериллия ТШП, в которую должны обязательно входить бериллиевые образцы для измерения физико-механических, теплофизических и технологических свойств этой конкретной штамповки. По результатам этих измерений корректируются параметры технологического процесса изготовления зеркала из этой штамповки. Положительные результаты измерения свойств штамповки определяют ее пригодность для изготовления зеркала.

• Черновая механическая обработка. Это этап основного съема материала с целыо максимального приближения конфигурации корпуса зеркала к чертежу. После черновой обработки в зависимости от габаритов изделия остается припуск 1-3 мм. Черновых обработок может быть несколько, в зависимости от припусков материала на заготовке. Этой обработки может не быть вообще, если завод - изготовитель выполнит заготовку по чертежу с припуском 1 -3 мм.

• Получистовая механическая обработка. Обработка корпуса зеркала на соответствие чертежу, кроме размеров по 2-му классу точности и выше, на которые должен быть оставлен припуск 0,5 - 0,8 мм в зависимости от габаритов изделия.

• Чистовая механическая обработка. Изготовление по чертежу.

4.2. Одной из центральных проблем создания оптических зеркал является обеспечение их размерной стабильности, т.е. способности сохранять точность формы оптической поверхности в условиях эксплуатации и хранения.

Сложность этой проблемы вытекает из того, что среднеквадратичное отклонение формы оптической поверхности зеркал от расчетной не должно превышать

—, что для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн составляет

несколько сотых долей микрометра и при учете размеров зеркал 1 м - дает относительную погрешность (4-6) • 10"". Подобные требования к точности и размерной стабильности оптических зеркал из металла на два порядка выше требований к наиболее ответственным деталям точного машиностроения и приборостроения.

Для максимальной ликвидации остаточных напряжений вследствие механической обработки и из-за несовершенства структуры бериллия после каждого этапа обработки были введены технологические операции стабилизирующей термической обработки. а после чистовой механической обработки введена стабилизирующая термо-никлическая обработка. Это должно было обеспечить размерную стабильность зеркала на всех этапах эксплуатации и хранения.

4.3. Оптическая поверхность зеркала должна быть изготовлена за два основных технологических этапа:

• предварительная оптическая обработка, выполнение которой совмещено с чистовой механической обработкой корпуса;

• оптическое формообразование, включающее в себя все традиционные операции обработки, которые используются при формообразовании оптических поверхностей при изготовлении зеркал из стеклообразных материалов.

4.4. Технологические операции - нанесение оптических отражающих и защитных покрытий; контроль оптических параметров; сборки зеркала с несущей конструкцией; испытания узла зеркала на соответствие техническим требованиям и аттестация окончательно готового узла зеркала - предполагалось выполнить по технологиям, разработанным для оптических элементов из ТОМ с учетом специфических требований при работе с бериллием.

Единственным осложнением для использования этих технологий была необходимость учитывать в каждом конкретном случае требования "Санитарных правил при работе с бериллием и его соединениями" № 992-72.

На основании изложенных представлений была разработана концепция технологии изготовления облегченных оптических зеркал из бериллия, которая представлена на рис.2 в виде "Концептуальной последовательности технологических операций создания облегченных оптических зеркал из бериллия".

Это представление об этапах изготовления зеркал из бериллия послужило началом проведения всех исследований и разработок для создания облегченных оптических зеркал из бериллия для различных информационных систем и комплексов.

Рис.2. Концептуальная последовательность технологических операций создания облегченных оптических зеркал из бериллия.

5. Разработка и исследование технологических процессов ' механической обработки корпусов зеркал аз бериллия ТШП.

Для осуществления черновой, пояучистоаой и чистовой механических обработок корпусов зеркал из бериллия были выбраны технологические процессы обработка резанием: точение, фрезерование и сверление.

Такой выбор был связан, во-первых, с тем, что было известно об обработке бериллия резанием; во-вторых, конструкции корпусов зеркал можно было изготовить этими способами и, наконец, в-третьих, была реальная возможность установить в специальных помещениях, построенных для обработки бериллия, только металлорежущее оборудование.

Был установлен следующий набор оборудования:

• гамма токарао-виеторезных станков с габаритами обрабатываемого изделия до 500 мм;

• гамма горизонтально-фрезерных, вертикально-фрезерных и универсально-фрезерных станков с габаритами обрабатываемого изделия до 650 мм;

• токарно-карусельиый станок мод. 1516;

• горизонтально-расточной станок ыод.2А620Ф2-1;

• координатно-расточной станок ыод,2Е450Ф-1.

Для обеспечения возможности обработки бериллия на металлорежущих станках были изготовлены технологические укрытия для этих станков и установлены высокоскоростные ^««,«=15 м/сек) отсосы стружки н мелкодисперсной пыли в соответствии с "Санитарными правилами при работе с бериллием и его соединениями" № 992-72.

С целью определения износостойкости при обработке бериллия, обладающего очень высокой абразивной способностью, были проведены исследования режущего инструмента из:

• быстрорежущей стали;

• твердого сплава (карбида вольфрама);

• поликристаллических сверхтвердых материалов;

• натуральных и искусственных алмазов

Выбор материала и параметров режущего инструмента, а также режимов обра-

¿J

ботки определялся по качеству обработанных поверхностей с учетом повышенной чувствительности к надрезу бериллия н склонности его к хрупкому разрушению. Кроме того, учитывалась возможность получения качественной поверхности на бериллии при непрерывной обработке с длительностью пути резца в несколько десятков километров.

Результаты экспериментальных исследований показали, что режущий инструмент из быстрорежущей стали использовать нецелесообразно из-за низкой износостойкости, которая в 2-3- раза ниже, чем у инструмента из карбида вольфрама.

Инструмент из монокристаллических алмазов имел недопустимо большой износ, так как бериллий действует как катализатор способствующий графитизации алмаза.

Режущий инструмент из поликристаллических сверхтвердых материалов показал высокую износоустойчивость при выполнении чистовых операций.

Таким образом, для черновой и получистовой механической обработки корпусов зеркал из бериллия, в том числе для работы при прерывистом резании, был выбран твердосплавный режущий инструмент из сплава ВК8, что давало возможность получать устойчиво шестой, седьмой класс чистоты поверхности и точность 3-го класса при скоростях обработки V £ 35 м/мин, глубинах резания t < 14 мм и подачах S £ 0,05 мм/об.

Для чистовой и предварительной оптической обработки был выбран инструмент из мелкозернистого и износостойкого твердого сплава ВКЗМ и поликристаллического сверхтвердого материала ниборита, а позднее » киборита, что давало возможность получать шероховатость поверхности седьмого и восьмого классов, точности 2-го класса и выше при скоростях обработки V ä 150 м/мин, глубинах резания t = 0,05 мм и подачах S = 0,01 мм/об и обеспечить предварительную оптическую обработку сферической поверхности зеркал 0 1040 мм в течение 120 мин. (непрерывная обработка с длительностью пути резца до 68000 м).

Качество поверхностей после механической обработки исследовалось методами металлографии, которая показала, что после всех видов механической обработки бериллия резанием в приповерхностном слое образуется сетка деформированных двойников, а иногда и трещин, а также имеются поры. Этот слой, величина которого в зависимости от вида механической обработки и режимов резания может достигать 250 мкм, имеет остаточные напряжения и сильную кристаллографическую текстуру.

На рис.3 показана характерная микроструктура поверхности бериллия ТШП после механической обработки.

Отчетливо видны сильно двойниковашше зерна бериллия, что является одним из видов дислокаций и относится к линейным дефектам структуры. Пластическая деформация, происходящая при резании бериллия, вызывает переориентацию зерен в

поврежденном поверхностном слое, т.е. образуется пластически деформированный поверхностный слой металла со сжимающими остаточными напряжениями [24]. Кроме того, переориентация зерен создает текстуру в приповерхностном дефектном слое. Для определения глубины поврежденного слоя бериллия после механической обработки был использован метод химического травления.

На рис.4 показана микроструктура бериллия ТШП после химического травления на глубину 250 мкм, когда деформированный слой полностью снят.

Величина поврежденного слоя определялась также с помощью измерения микротвердости поверхности бериллия. По мере снятия дефектного слоя бериллия химическим травлением микротвердость уменьшается и на глубине 250 мкм и далее становится постоянной.

Однако следует отметить, Что травление полностью снимает поврежденный при механической обработке слой бериллия, растравливает поверхность до 3 мкм; что не допустимо для размеров корпусов зеркал, изготавливаемых с точностью выше 3 класса точности. Поэтому после применения химического травления неизбежно применение чистовой механической обработки, после которой, естественно, останется тоже дефектный слой - источник напряжений. Величина дефектного слоя при выбранных режимах чистовой механической обработки была определена и оказалась не более 15 мкм.

Методом локальной лазерной масс-спектромегрии был проведен сравнительный анализ атомарного состава поверхности образцов из бериллия до и после проведения чистовой обработки. Исследования проводились на образцах, обработанных резцами из ВК-ЗМ, ниборита и киборита. Образцы исследовались в нескольких точках по длине и по глубине обработанных поверхностей.

На рис.5 представлены масс-спектрограммы в одной точке по длине поверхности, которые показывают внедрение материалов резца в бериллий при чистовой механической обработке резцом из ВК-ЗМ на разной глубине. Внедрение материалов резца в приповерхностный слой практически не превышает величины дефектного слоя бериллия при чистовой механической обработке.

Таким образом, исследования технологических процессов механической обработки бериллия дали возможность разработать технологию черновой, получистовой и чистовой обработок корпусов зеркал и получить представление о том, как эти технологии могут повлиять на технологию изготовления оптических зеркал из бериллия в целом, что в свою очередь потребовало дополнительных технологических процессов термической и термоциклической стабилизации, а также использования химического травления в качестве способа размерной стабилизации.

Рис.3 Микроструктура поверхности бериллия ТШП после

механической обработки, поляризованный свет (х 450)

Рис.4

Микроструктура поверхности бериллия ТШП после химического травления на глубину 250 мкм, поляризованный свет(х 340)

2 (л

сь' V'

Рис.5 Масс-спектрограммы поверхности бериллия ТШП после чистовой механической обработки резцом ВК-ЗМ, а - на глубине 2 мкм; б - на глубине 6 мкм; в - на глубине 12 мкм.

6. Разработка и исследование технологического процесса оптической обработки бериллия ТШП

Для получения оптических поверхностей на бериллни ТШП была разработана принципиальная схема оптической обработки, включающая в себя следующие основные этапы:

• предварительная оптическая обработка выполняемая на металлорежущих станках с получением точности формы оптической поверхности 2-10 мкм в зависимости от использованного оборудования и шероховатостью R, = 0,63 мкм (V8) [25];

• доводка оптической поверхности свободным абразивом на станках типа ПД и ШПД с получением точности формы оптической поверхности, близкой к указанной в конструкторской документации (КД), и шероховатостью R* s 0,08 мкм (VI3);

• оптическое полирование свободным абразивом на станках типа ПД и ШПД когда точность формы оптической поверхности обеспечиваются в соответствии с КД, а шероховатость достигает значения R,, = 50 к [26];

Предварительная оптическая обработка выполняется методом точения или фрезерования на металлорежущих станках по режимам приведенным в предыдущей главе.

Доводка осуществляется притирами из серого чугуна малой прочности. В качестве суспензии для доводки на чугунных притирах использовался состав на основе 2%-го раствора щавелевой кислоты с алмазным порошком АСМ 10/7 при концентрации порошка в суспензии 4 - 6% по массе [29].

Наибольшее количество проблем возникло на этапе разработки технологии оптического полирования. Основные из них следующие:

• низкая производительность обработки из-за высокой износостойкости бериллия;

• окисляемость полируемой поверхности вследствие высокой химической активности бериллия;

• дополнительная трудоемкость получения сверхгладких поверхностен из-за наличия дефектов материала в виде пор и раковин;

• большие технические трудности и объем исследований по защите работающих от вредного воздействия мелкодисперстной пыли бериллия.

Поэтому процесс полирования пришлось разбить на два лама, чинш эти проблемы решать по очереди и поэтапно.

I этап - предварительное полирование с целью получения требуемых пара-

метров по точности формы оптической поверхности с достижением шероховатости поверхности R, s 0,02 - 0,03 мкм (V14 и выше). При предварительном полировании оказался оптимальным состав суспензий иа основе щавелевой кислоты с абразивным порошком окиси алюминия М 3/2 - I/O, что обеспечивало высокую производительность и качество обработки (VI4) и давало возможность не учитывать окисляемость химически активного бериллия.

II этап - окончательное полирование, когда сохраняется достигнутая точность формы оптической поверхности в соответствии с КД и достигается максимальная шероховатость режимом полирования непродолжительным по времени (2-3 цикла по 15 мин.) безводным составом на основе полиметилсилоксана с алмазным порошком АСМ 3/2. Это позволяет удалить абразивные зерна окиси алюминия, которые шаржируют оптическую поверхность при предварительном полировании, и получить необходимую шероховатость поверхности и, соответственно, нужный коэффициент диффузного отражения [27,28].

Автором была разработана технологическая инструкция полирования бериллия. [29] Были получены устойчивые результаты полирования в части оптико-физических и технологических параметров, наилучшие из которых:

• шероховатость поверхности R, = 35 - 45 А;

• коэффициент диффузного отражения р„ = 0,3 - 0,4%;

• коэффициент зеркального отражение R,= 98,4% на Х.= 10,6 мкм.

Однако преодолеть проблему собственных дефектов бериллия ТШП, которые практически не дают возможности изготовить качественную оптическую поверхность не было возможности, так как технология получения металлокерамического бериллия ТШП была основана на одноосном прессовании.

Стало очевидно, что изготовить оптические поверхности необходимого качества на бериллии ТШП невозможно. Необходимо было искать технологические пути преодоления этого недостатка бериллия, получаемого одноосным прессованием из порошка.

Типичная картина дефектов материала на полированной поверхности бериллия представлена на рис.6.

Значительно позднее, когда были созданы образцы бериллиевых заготовок, полученных изостатическим прессованием (ХИП - ГИП), диаметром до 300 мм удалось в полной мере реализовать научный и практический опыт по полированию бериллия для изготовления оптических элементов [38].

Рис.6. Типичные дефекты полированной поверхности технического бериллия ТШП (х 100)

(вверху - светлое поле, внизу - микроинтерферограмма по Номарскому).

7. Разработка и исследование технологического процесса нанесениа конструкционного стеклянного покрытая на бериллий ТШП

После того, как стало очевидно, что получить оптическую поверхность необходимого качества непосредственно на бериллии не представляется возможным из-за большого количества макроскопических дефектов, начались поиски путей создания конструкционного покрытия, которое позволило бы сформировать качественную оптическую поверхность на бериллиевых зеркалах.

В это время имелись работы и положительные результаты по нанесению конструкционных стеклянных покрытий. Стремление объединить в оптическом зеркале положительные качества стекла и металла привело профессора И.И.Крыжановского к идее создания зеркала, несущее основание которого выполнено из металла, а оптическая поверхность формируется путем обработки неразрывно соединенного с основанием стеклянного слоя, в дальнейшем получившего название конструкционного стеклянного покрытия. И.И.Крыжановский продемонстрировал принципиальную возможность осуществления этой идеи на примере создания зеркал из титановых сплавов и стандартных стекол типа К8, соединенных между собой методом спекания [30,31 ].

На основании изложенного было принято принципиальное решение об облике оптического зеркала из бериллия для информационных систем как металлического зеркала с конструкционным стеклянным покрытием.

Реализация этого решения потребовала проведения комплекса исследовательских и технологических работ для решения следующих основных проблем:

• разработка стекол, обладающих адгезией к бериллию при спекании и согласованных с ним по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) ;

• разработка промышленной технологии варки и выпуск разработанных стекол;

• разработка технологии нанесения конструкционных стеклянных покрытий на бериллий;

• разработка методов управления напряженно-деформированным состоянием соединений бериллий-стекло.

Решение указанных проблем должно было обеспечить получение конструкцион ных стеклянных покрытий на изделиях диаметром до 1 ООО мм, не содержащих дефектов в виде трещин и газовых пузырей, способных подвергаться оптической обработке шлифованием и полированием и сохраняющих свою целостность при заданных воздей ствиях динамических нагрузок и перепадов температур.

Под руководством и непосредственном участии академика Г.Т.Петровского были разработаны и исследованы два сорта стекла для нанесения конструкционных покрытий на бериллий с различной температурой спекания. Была разработана промышленная технология и организован выпуск этих стекол, основные свойства которых представлены в табл.5 [32].

Был разработан технологический процесс нанесения конструкционных стеклянных покрытий [33], который включает следующие основные операции:

• изготовление стеклянных деталей толщиной 3-5 мм, совпадающих по профилю и внешнему контуру с металлическим основанием из бериллия;

• очистка и укладка стеклянных деталей на очищенное бериллиевое основание и помещение сборки в термическую печь сопротивления для спекания;

• проведение процесса спекания по заданному температурно-временному режиму.

Для нанесения стеклянного покрытия на крупногабаритные изделия, когда невозможно изготовить равную по размеру монолитную стеклянную деталь, необходимо укладывать на металлическое основание несколько стеклянных деталей, плотно состыковывая их между собой. Для предотвращения появления газовых пузырей по линиям стыков стеклянные детали должны иметь фаску 3°-5°. Как было установлено, проведение спекания при температурах, соответствующих вязкости стекла т| = 106,3 пуаз, обеспечивает полное исчезновение зазоров и получение монолитного покрытия.

Взаимодействие стекла и металла при спекании идет через окисную пленку, всегда присутствующую на металлической поверхности. Наиболее благоприятно процесс спекания происходит в воздушной среде, адгезия стеклянного покрытия определяется, по-существу, прочностью сцепления окисиой пленки с металлом. Чрезмерное переокисление металла приводит к отрыву стеклянного покрытия вместе с окисной пленкой от металлической поверхности. Разработанные стекла с относительно невысокими температурами размягчения дают возможность разработки температурно-временного режима, оптимального с точки зрения адгезионной прочности покрытия.

Во время остеклования в спае бериллий-стекло возникают остаточные напряжения, величина которых, релаксация которых и сжатие или растяжение ими стеклянного покрытия и определяют дальнейшую судьбу зеркала.

Разработка температурно-временного режима остеклования была выполнена исходя из условий обеспечения целостности стеклянного покрытия во всем интервале температур технологических термообработок, температур эксплуатации и обеспечения максимальной размерной стабильности, т.е. реализации в стеклянном покрытии только сжимающих напряжений минимальной величины. Таким образом, темиератур-но-временной режим спекания должен не только обеспечить прочное соединение стек-

ла с бериллием, по и заданные по знаку и величине остаточные напряжения в стекле. Требование минимальной величины остаточных сжимающих напряжений является принципиальным, поскольку релаксация этих напряжений является источником размерной нестабильности изделия.

На рис.7 представлена диаграмма температурно-временного режима спекания бериллия со стеклом 1608Б-2, которая подробно описана в технологической инструкции [33]. Испытания полученных по этому режиму стеклянных покрытий на механическую прочность во всех случаях приводят к разрушению по телу покрытия с оставлением тончайшей стеклянной пленки на поверхности металла.

Для управления напряженно-деформированным состоянием соединений бериллий-стекло можно использовать изменение скорости охлаждения спая, однако на практике инерционность термического оборудования существенно ограничивает возможность варьирования скоростью охлаждения.

Другим способом управления остаточными напряжениями в спае бериллий -стекло являются изотермические выдержки при определенных температурах. Он основан на том, что релаксационные процессы всегда приводят к уменьшению напряжений по абсолютной величине, тогда как структурные превращения в стекле, вызывающие уменьшение его удельного объема, приводят к появлению растягивающих напряжений. Результирующий эффект при данной температуре определяется соотношением скоростей этих двух процессов [34]. Поляриметрические исследования показали, что выдержка при температуре 150°С дает возможность снижать напряжение в спае бериллий-стекло 1608Б-2 до значений -0,5 кг/мм2 й сТеж*™ 2 -1 кг/мм2. Так была разработана стабилизирующая термическая обработка спая бериллий-стекло для минимизации сжимающих напряжений в стеклянном покрытии.

Наличие двух марок стекол для спекания с бериллием с отличающимися на 100°С температурами размягчения позволило разработать технологию нанесения конструкционных покрытий на обе противоположные поверхности несущего основания, выполненного в виде закрытой зеркально-симметричной конструкции, путем последовательного спекания стекла с большей, а затем меньшей'температурой размягчения. Это дало возможность приступить к созданию оптических зеркал из бериллия с новыми функциональными возможностями - с двухсторонней оптической поверхностью.

Нанесение двухсторонних стеклянных покрытий является эффективным решением для расширения интервала рабочих температур зеркала за счет компенсации изгибающих моментов, возникающих вследствие различных ТКЛР стекла и бериллия.

Таким образом, проведенный комплекс работ позволил впервые в мире разработать технологию остеклования бериллиевых зеркал практически любого размера.

Таблица 5

ПАРАМЕТРЫ СТЕКОЛ ДЛЯ ОСТЕКЛОВА11ИЯ БЕРИЛЛ1Ш

Толщина Относительн

Условное обозначение Технические условия КЛТР 10* к-1 0(20-120 Темпера тура спекания "С остеклованного слоя стекла, мм твердость но сошлифовы- ваишо (отн.стекла К-8)

1608-Б2 ТУ 41-79 11,710,2 510 3-5-4 0,36

КФ-11 593 1АБ23-86ТУ 11,7±0,2 700 3+4 0,94

500 400 300 200-1 100

%

150 "С. УгЗО-СЛ^'

20./

510-0

430°С

Я

400"С

V,

уУз~90° С/ч .Ш'С,

,330'С

■ ДАВЛЕНИЕ В ПЕЧИ 1 АТМ

---ДАВЛЕНИЕ Ь ПЕЧИ Ю"2 ММ. РТ. СТ.

^=15 "С/у

5 7

20 24 26 30 35,5

25 27 51 ' 56,5

зг

Ь; г

57

Рис.7. Диаграмма температурио-времсмииго режима спскитш бериллии си пеклом 10081;-

S. Разработка н исследование технологических процессов размерной

стабилизации облегченных остеклованных зеркал из бериллия ТШП.

Одной из центральных проблем создания оптических зеркал из бериллия является обеспечение их размерной стабильности, т.е. способности сохранять точность формы оптической поверхности на всех этапах изготовления в условиях эксплуатации и хранения.

Источники размерной нестабильности оптических зеркал по своему происхождению могут быть разделены на внешние и внутренние [1].

К внешним относятся действие силы тяжести, ускорений, переход в состояние невесомости, неоднородные и нестационарные окружающие тепловые условия. Благоприятное сочетание физико-механических и теплофизических свойств бериллия позволяет за счет разработки оптимальных конструктивных решений свести к минимуму действие внешних источников размерной нестабильности и обеспечить по отношению к ним инвариантность формы оптической поверхности в пределах требуемых допусков.

Поэтому на первый план выходит проблема внутренних источников размерной нестабильности [35]. Принимая во внимание анизотропию физико-механических и теплофизических свойств бериллия и гетерогенную (металл-стекло) структуру оптического зеркала, следует ожидать очевидным присутствие в бериллиевых заготовках всех теоретически возможных источников и действие всех механизмов внутренней размерной нестабильности.

Известно, что изготовление бериллиевого корпуса связано с большим объемом механической обработки. Это приводит к возникновению объемных остаточных макронапряжений и появлению напряженно-деформированного дефектного поверхностного слоя.

С помощью специальной методики рентгеновского исследования макронапряжений, которая была разработана с учетом рентгенопрозрачности бериллия, были исследованы объемные макронапряжения в бериллии и определены температурно-временные режимы термической обработки, направленные на полную релаксацию внутренних напряжений - стабилизирующий отжиг, заключающийся в нагреве до температуры 800°С в течение 2 ч в вакууме с остаточным давлением 104 мм рт.ст.

Такой высокотемпературный отжиг проводится на этапе изготовления корпуса зеркала (черновая, получистовая обработка), когда точность размеров лежит в пределах 3-го класса, поэтому изменение геометрических размеров корпуса после проведения стабилизирующего отжига практически трудно измерить, да и нет необходимости, так как на корпусе еще имеются достаточно большие припуски.

Что касается напряженно-деформированного дефектного слоя, то была выбрана радикальная технология полного его удаления методом размерного химического травления - стабилизирующая обработка методом химического травления [36].

Технический бериллий, штампованный из порошка (ТШП), представляет собой микролегированный сплав, склонный к распаду и старению, т.е. изменению структурно-фазового состояния материала в результате распада твердого раствора атомов примесей в бериллии (состав примесей представлен в табл.2).

С целью подавления данного механизма размерной нестабильности было необходимо разработать стабилизирующую термообработку, обеспечивающую максимальную стабильность фазового состава бериллия. Для исследования структурно-фазового состояния бериллия был использован ядерный гамма-резонансный спектрометр на ядрах железа, которое является основной металлургической примесью в бериллии и имеет удобный мессбауэровский изотоп Ре57. Это позволило с высокой точностью провести исследования распределения железа в бериллии после различных термических обработок и разработать оптимальный режим искусственного старения, заключающийся в нагреве до температуры 650°С в течение 6 часов в вакууме с остаточным давлением 10"4 мм рт.ст.

Эту термическую обработку целесообразно проводить на этапе изготовления корпуса зеркала, когда выполнены практически все механические обработки за исключением чистовых операций, на которых должны быть получены самые высокие для данного изделия точности - порядка единиц микрометров.

Следствием анизотропии температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) бериллия является появление внутренних микронапряжений между различно ориентированными кристаллитами при охлаждении от высоких температур отжига или искусственного старения.

Этот эффект в совокупности с неоднородной кристаллической текстурой, присутствующей в крупногабаритных заготовках бериллия, приводит к появлению ориентированных микронапряжений, т.е. по существу, к внутренним макронанряжениям в изделии. В отличие от макронапряжений механической или термической природы ориентированные микронапряжения, как следует из самого механизма их возникновения, не могут быть устранены высокотемпературной обработкой типа стабилизирующего отжига. В данном случае эффективной является термоциклическая обработка (ТЦО), заключающаяся в чередовании операций охлаждения и нагрева. Охлаждение до отрицательных температур вызывает интенсивную релаксацию микронапряжений за счет пластической деформации в области межзеренных границ.

Разработка и исследование режимов термоциклической стабилизации проводилась на обрашах зеркал, которые прошли высокотемпературный отжиг (800°С), искусственное старение (650°С) и остекпование стеклом 1608Б2 (510° С).

На стеклянной поверхности изготовлялась оптическая поверхность с точностью не хуже, чем ст„0 = Х/10, где X = 0, 6328 мкм. Эффективность термоциклической стабилизации оценивалась при дальнейших исследованиях по точности оптической поверхности.

По окончании первого термоцикла точность формы оптической поверхности ухудшилась на единицы микрометров, после чего оптическая поверхность восстанавливалась (полировалась) до прежней точности и проводился последующий термоцикл. И так термоциклирование продолжалось до тех пор, пока точность оптической поверхности прекращала изменяться.

Таким образом, при исследовании и разработке режимов термоциклической стабилизации была реализована уникальная возможность, которую предоставляют оптические зеркала - определять эффективность стабилизирующей обработки по изменению формы оптической поверхности.

В результате исследований были определены температурно-временные режимы и количество циклов стабилизирующей термоциклической обработки, заключающейся в проведении 4-5 циклов охлаждения до -70°С и нагрева до 100°С.

К технологическим процессам, обеспечивающим размерную стабилизацию облегченных бериллиевых остеклованных зеркал, естественно, необходимо отнести стабилизирующую термическую обработку напряжений в спае стекло-бериллий (изотермическая выдержка при 150°С в течение 72 часов), о которой говорилось в предыдущей главе. Это стабилизирующая обработка, когда, с одной стороны, напряжения уменьшаются (релаксируют) и становятся минимальными, а с другой стороны -остаются (становятся) также сжимающими, т.е. оптическая поверхность изменяется, как говорят оптики, на "яму" в пределах осто = (0,3 - 0,4) X., где X = 0,6328 мкм.

Такая величина изменения точности формы оптической поверхности укладывается в допуск любых точных размеров на корпусе зеркала и поэтому стабилизирующая термическая обработка напряжений в спае стекло-бериллий может выполняться на полностью изготовленном зеркале перед окончательной оптической обработкой.

Достижение конечной цели - эффективной стабилизации изделия - предполагает применение описанных выше стабилизирующих обработок в последовательности, согласованной между собой и другими операциями технологического процесса изготовления зеркала при учете возможного отрицательного влияния последующей операции на результат предыдущей стабилизирующей обработки [37].

9. Оптическое формообразование. Нанесение онтнческнх покрытий.

Испытания. Гигиена бериллия.

При формообразовании оптических поверхностей на стеклянном конструкционном покрытии использовались абразивные и вспомогательные материалы, употребляемые при обработке традиционных оптических материалов. Для асферизации вогнутых и выпуклых оптических поверхностей на станках типа ПД и ШПД использовались кольцевые шлифовальники и секторные полировальники в сочетании с полноразмерными инструментами. Для окончательной оптической обработки плоскостей на станках типа ШПД использовались сепараторы. Аттестационный и технологический контроль точности формы оптической поверхности осуществлялся интерференционным методом в контрольных схемах с бинарными фазовыми голографическими компенсаторами.

Оптическое покрытие наносилось на вакуумных установках методом резис-тивного напыления. Использовалось металл-диэлектрическое покрытие из алюминия с защитным слоем из моноокиси кремния (А1/8Ю). Для адгезии покрытия А1/БЮ к зеркалам из бериллия с конструкционным покрытием из химически нестойкого стекла 1608В2 на его поверхность перед нанесением слоя АЬ наносился адгезионный слой БЮ толщиной 100 нм. Общая конструкция покрытия - 8Ю/А1/8Ю. Покрытие обеспечивало спектральный коэффициент зеркального отражения р, в видимой области спектра 86%, в ИК области спектра - 94-96%.

Для подтверждения работоспособности зеркал в диапазоне температур, заданных в ТЗ, проводились термооптические испытания в условиях близких к эксплуатационным. Для проведения этих испытаний была создана термооптическая камера объемом 15 м3 (ТОВК-15), которая обеспечивала вакуум 10'5 мм рт.ст., температурную и временную циклограмму работы в космосе и отсутствие вибраций для непрерывного контроля точности формы оптической поверхности.

Для подтверждения соответствия зеркал остальным требованиям ТЗ проводился весь комплекс климатических и вибрационно-динамических испытаний.

Краткое описание этих важных и трудоемких этапов создания бериллиевых зеркал связано с тем, что они проводились в основном на существовавшем н тот момент научном и технологическом заделе оптического приборостроения.

Гигиена бериллия является самостоятельной медико-технической проблемой, связанной с токсикологией бериллия, гигиеной труда при обработке бериллия, охраной окружающей среды и т.п. Однако без выполнения санитарно-гигиенических 1 реноваций работать с бериллием было бы невозможно. Пол ому был выполнен большой ош>-ем технологических рабог этого направления.

10. Отработка и внедрение технологии изготовления облегченных остеклованных бериллиевых зеркал.

После проведения изложенных выше разработок и исследований стало возможным перейти от концептуального представления о технологии создания бериллиевых зеркал к рабочей технологии изготовления оптических облегченных зеркал.

За входным контролем и черновой механической обработкой следует высокотемпературный отжиг для снятия внутренних объемных' напряжений. После получистовой механической обработки, которая одновременно является технологическиг»; этапом изготовления оптической поверхности под остеклование, производится на:г-сение конструкционно-стеклянного покрытия, вводится высокотемпературный отжиг для снятия внутренних объемных напряжений, стабилизирующая обработка методом химического травления для удаления напряженно-деформированного дефектного слоя и стабилизирующее искусственное старение для фиксации структурно-фазового состояния бериллия.

Далее после нанесения конструкционного стеклянного покрытия производится предварительное оптическое формообразование, результатом которого является получение плоскости или сферы, в зависимости от окончательной формы оптической поверхности (плоскости или асферики), с точностью не хуже стсго = ^Ю, где \ = 0, 6328 мкм. Затем следует стабилизирующая термоциклическая обработка.

По завершении термоциклирования проводится контроль точности оптической поверхности, а затем выполняется чистовая механическая обработка.

Дальнейшая стабилизирующая термообработка напряжений в спае стекло-бериллий дает возможность еще улучшить стабильность зеркал в пределах изменений точности формы оптической поверхности <тс«0 = (0,3 - 0,4) X , где Я. = 0, 6328 мкм. Представляется, что эта стабилизирующая обработка необходима только для очень точных зеркал для УФ и видимой областей спектра.

Далее идут технологические операции изготовления зеркал, которые есть в любом технологическом процессе изготовления оптических зеркал из любых материалов.

Весь технологический процесс изготовления облегченных остеклованных оптических зеркал из бериллия представлен на рис.8.

По отработанному технологическому процессу были изготовлены и поставлены предприятиям СССР облегченные остеклованные оптические зеркала из бериллия для различных космических информационных систем и комплексов диаметром до 1000 мм, основные параметры которых представлены в табл. 6.

Рис.8. Последовательность основных технологических операций изготовления облегченных оптических зеркал из бериллии.

Таблица 6.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОСТЕКЛОВАННЫХ БЕРИЛЛИЕВЫХ ЗЕРКАЛ ИЗГОТОВЛЕННЫХ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ

СИСТЕМ

Параметры Размеры, мм

280 400 420 570 630 800 1040

Масса, кг 1,75 2,2 4,2 10,5 6,5 21,0 40,0

Форма оптической поверхности П П П В.А. П 2П А.В.В.

Точность оптической поверхности . а „о • Я.мкм"', Х.-0.6328 мкм 0,02 0,07 0,02 0,17 0,07 0,025 0,17

Количество изготовленных зеркал 22 11 22 16 11 2 16

Заказчик КМЗ ВНИИ эм КМЗ ЛОМО ВНИИ ЭМ КМЗ ЛОМО

Примечание: Обозначение формы оптической поверхности: П - плоская

2П - две плоскопараллельных поверхности

В.А. - выпуклая асферическая

A.B. А. - асферическая высших порядков.вогнутая

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработана, внедрена и подтверодена на практике методика выбора конструкционных'материалов для оптических зеркал информационных систем, в том числе облегченных космических.

2. Впервые в СССР разработан, исследован и внедрен в производство технологический процесс механической обработки корпусов оптических зеркал из бериллия с открытой и полузакрытой конструкцией облегчающих отверстий.

3. Впервые в мировой практике разработан, исследован и внедрен в производство технологический процесс нанесения конструкционного стеклянного покрытия на бериллий, что практически определило возможность создания бериллиевых зеркал в СССР в 70-80-х годах и создало возможность проведения оптической обработки зеркал в обычных оптических производственных помещениях, а не специальных бериллиевых.

4. Впервые в мировой практике разработана, исследована и внедрена в производство совокупность стабилизирующих термических и химических обработок для обеспечения размерной стабильности гетерогенных (бериллий-стекло) конструкций зеркал при эксплуатации и хранении, которая не уступает стабильности оптических элементов, изготовленных из аморфных стеклообразных материалов.

5. Впервые в мировой практике выявлена взаимосвязь и взаимное влияние механических, термических, химических и оптических технологий и определено их оптимальное место в общем технологическом процессе изготовления облегченных остеклованных бериллиевых зеркал.

6. Впервые в мировой практике разработан, исследован и внедрен в производство технологический процесс изготовления облегченных остеклованных оптических зеркал из бериллия для информационных космических систем и комплексов диаметром до 1000 мм.

7. Впервые в СССР изготовлено более 100 штатных оптических зеркал из бериллия.

В. Опыт и методология интеграции отдельных технологий в единый технологический

процесс создания бериллиевых зеркал легли в основу создания технологий изготовления оптических зеркал из других нетрадиционных для оптики материалов (алюминиевых и медных сплавов, поликристаллического кремния, карбида кремния и т.д.)

ЛИТЕРАТУРА

1. Мнрошннкоп М.М., Любарский C.B., Химич Ю.П. Зеркала оптических телескопов// ОМП.-1990.-№ 9.-C.3-I8.

2. Любарский С.П. Зеркала из нетрадиционных дл» оптики материалов// Опт. журн.-1996.-Лг» 4.-C.33-39.

3. Максутов Д Л- И п отопление и исследование астрономической оптики. - М.: ПТИ,1948.-С.260.

4. Mikhail M.Miroshnikov, Sergey V.Lubarsky, Yurii P.Khimich. Mirrors for optical telescopes// Opt.Eng.- 1992.-Vol. 31, N 4.-P.70I-709.

5. Мирошников M.M., Любарский C.B. Результаты и перспективы создания металлооптических элементов из бериллия и его сплавов// Тез. докл. I Всесоюз. совет. "Металлоогггические элементы из бериллия", Киев, 21-23 мая 1985,-Киев, 1985.-C.209-2I Î.

6. Мирошников М.М., Любарский C.B., Химич Ю.П. Отражательные оптические элементы и несущие конструкции из нетрадиционных материалов//CG. материалов Всесоюз. семинара "Отражательные элементы и несущие конструкции нз нетрадиционных материалов", Москва, 17-19 февраля 1987.-Л,1987.-С.4-14.

7. Михельсон H.H. Бериллий - возможный материал для астрономических зеркал будущего// Изв. ГАО.-№ 162.-С. 153-158.

8. Barnes W.P. Considerations in the use of beryllium for mirrors//Appl.Optics.-1966.-Vol.5, N 12.-P. 1883-1886

9. Goggin W.R. Beryllium comes into its own// Opt.Spectra.-1971.-April.-P.30-31.

10.Maringer R E. Effects of processing on the dimensional stability of beryllium mirrors. U. S. report DMIC Memo, N 248, 1970,6 p. (Batteile Memorial Inst., Columbus, Ohio)// Nucí. Sei. Abstrs.-1971 .-Vol.25, N 11 .-P.2441, ref.24590.

11.Beryllium - a new structure materials// Precision metals.-1972.-Vol.30, N 3,-P.41-43

12.Reportofthe AD HOC Commiteeon beryllium. U.S. final report NBAM-281, 1971.106p. (National Materials Advissory Board, Washington)// Nucl.Sci.Abstrs.-1972.-Vol.26, N 4.-P.679, ref.28593.

13.Бернллий/ Под ред.Д.Уайта, Дж.Берка. Пер. с англ. Под ред.М.Б.Рейфмана.-М.: ИЛ,1960,-C.6I6.

И.Дарвин Д., Баддери Д. Бериллий/Пер.с англ. Под ред.М.Б.Рейфмана.-М.: ИЛ,1962.-С.324.

15.Папиров И.И., Тихинский Г.Ф. Физическое металловедение бериллия.-М.: Атомиздат,1968,-С.452.

16.Папнров И.И., Тихинский Г.Ф. Пластические деформации бериллия.-М.: Атомиздат,1973.-С.304

17.Любарский C.B., Химич Ю.П., Лаутеншлегер В.А. Бериллий - материал оптического приборостроения// Аналит.обзор № 2544,- М.:ЦНИИ информ., I982.-C.40.

18.S.V.Lubarsky, Y.P.Khimich Lightweigted mirrors for space telescope// Proc.SPIE.-1994,-Vol,2 199-P938-944.

19.Швей E.M., Любарский C.B., Щетинин АЛ. Синтез оптимальных конструкций облегченных металлозеркал// Сб. материалов Всесоюз. семинара "Отражательные элементы и несущие конструкции из нетрадиционных материалов", Москва, 17-19 февраля 1987.-Л.1987.-С.30-33.

20.Бауэр С.М., Любарский C.B., Петров М.Б., Улитин Н.И. Оптимизация прогибов кольцевого зеркала с опорой на девять точек// Сб.материалов Всесоюз. семинара "Отражательные элементы и несущие конструкции из нетрадиционных материалов", Москва, 17-19 февраля

1987.-Л, 1987.-С.39-41.

21 .Хесин ГЛ., Любарский C.B., Швей Е.М., Щетинин AJI. Моделирование, расчет и оптимизация конструкций металлооптических элементов// Сб. материалов Всесоюз. конференции "Оптические зеркала из нетрадиционных материалов", Москва, 9-12 октября 1989, т. 1.-Л.1989.-С.11-13.

22.Кошелева H.A., Любарский C.B., Петров М.В.,Тихомиров B.B. Деформация оптической поверхности двояковогнутого облегченного зеркала под действием массовых сил при двухъярусной системе разгрузки// Сб. материалов Всесоюз. конференции "Оптические зеркала из нетрадиционных материалов", Москва, 9-12 октября 1989, т. I.-J1.1989.-C.24-25.

23.Бауэр С.М., Любарский C.B., Улитин М.И. Управление прогибом пластины с помощью нормальных подвижек в регулярной системе точек// Сб. материалов Всесоюз. конференции "Оптические зеркала из нетрадиционных материалов", Москва, 9-12 октября 1989, т. I -Л.1989.-С.55-56.

24.Трофимов В.В., Васильков А.Ф., Волков А.Н., Дьяченко В.А., Любарский C.B., Никитин Н.И., Химии Ю.П. Автоматический рентгеновский дифрактометр для измерения напряжений в МОЭ// Сб. материалов Всесоюз.семинара "Отражательные элементы и несущие конструкции из нетрадиционных материалов", Москва, 17-19 февраля 1987.-Л, 1987.-С.286.

25.Любарский C.B. Предварительная оптическая обработка металлов// Тез. докл. I Всесоюзного совещания "Металлооптические элементы из бериллия", Киев, 21-23 мая 1985.-Киев,1985.-С.227-229.

26.Любарский C.B. Оптическая обработка бериллия// Тез. докл. I Всесоюз. совещ. "Металлооптические элементы из бериллия", Киев, 21-23 мая 1985,-Киев, I985.-_C.215-216.

27.Грудкин В.Н., Любарский C.B. Исследование притиров на основе прессованной древесины для шлифования ии полирования металл сю птических элементов// Сб. материалов Всесоюз.семинара "Отражательные элементы и несущие конструкции из нетрадиционных материалов", Москва, 17-19 февраля 1987.-Л.1987.-С.175-176.

28. Любарский C.B., Грудкин В.Н. Исследование полируемое™ бериллия// Сб. материалов Всесоюз. конференции "Оптические зеркала из нетрадиционных материалов", Москва, 9-12 октября 1989, т.П.-Л,1989.-С.5-8.

29.Оптическое полирование бериллия. Технологическая инструкция АБ 25201.90173 ГО И им.С.И.Вавилова,

30.Крыжановский И.И. Оптическое зеркало. A.c. №327138// Бюл. изобр.-1972.-№ 5.

31.Крыжановский И.И., Никитин С.М. Основы производства оптических металлостеклянных зеркал// Труды ЛИТМО. Приборы и методы высокоскоростной съемки. -1977.Вып.88.

32.Алексеенко М.П., Петровский Г.Т., Еаюнчикоаа Н.В., Дубырева В.Н Стекла для лрипекания к деталям из бериллия и сплавов на его основе// Тез.докл. I Всесоюз.совещ."Металлооптические элементы из бериллия", Киев, 21-23 мая 1985,-Киев, 1985.-С.92.

33.Нанесение конструкционного стеклянного покрытия на изделия из бериллия методом спекания. Технологическая инструкция ИАБ 175-81 ГОИ нм.С.И.Вавилова.

34.Васильков А.Ф., Загорулько A.B., Химич Ю.П., Баркова АЛ. Особенности размерной стабилизации металлоонткческих элементов с конструкционны стеклянным покрытием// Тез.докл. I Всесоюз. совет. "Металлооптические элементы из бериллия", Киев, 21-23 мая 1985,-Киев, 1985.-С.96-98.

35.Лащук Н.К., Ткаченко В.Г., Любарский C.B., Химич Ю.П. Размерная стабилизация металлоогггических элементов из бериллия// Тез.докл. I Всесоюз. совещ. "Металлооптические элементы из бериллия", Киев, 21-23 мая 1985,-Киев,1985.-С. 13-15.

36.Процесс размерного химического травления из бериллия. Технологическая инструкция АБ 25271.90090 ГОИ им .С.И.Вавилова, СПб.

37.Стабилизирук>щая термическая обработка изделий из бериллия. Технологическая инструкция ИАБ 176-81 ГОИ им.С.И.Вавилова, СПб.

38.Богданова Г.А., Жевлакова Т.А., Касаткина Л.В., Любарский C.B., Шайович СЛ. Измерение светорассеяния бериллневых зеркал// Сб. материалов Всесоюз. конференции "Оптические зеркала из нетрадиционных материалов", Москва, 9-12 октября 1У8У, г II.-Л.1989.-С.217-218.

^ * ... . ^^

"У

'' V,. '' Ь

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ

МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

(Технический университет)

На правах рукописи УДК 681.7.062:681.7.03 ЛЮБАРСКИЙ Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ ИЗ БЕРИЛЛИЯ

■и

/

Специальность: 05.11.14 - технология приборостроения

Диссертация

в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в ГОСУДАРСТВЕННОМ НАУЧНОМ ЦЕНТРЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "ГОИ им.С.И.Вавилова"

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

1. Доктор технических наук М.Н.Сокольский

2. Доктор технических наук И.В.Милов

АО ЛОМО Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится " .. ¿/¿7 ¿/_1998 г., в

"-ЛГ" час. " мин. на заседании специализированного диссертационного ученого совета Д 053.26.03 при Государственном институте точной механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, ул.Саблинская, 14.

Отзывы на диссертацию в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю ученого совета.

Диссертация разослана " ¿г /у!^ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного :

диссертационного совета,

......

кандидат технических наук, доцент '■■■"■"7

Ю.П.Кузьмин ' С

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................... 4

1. Анализ и выбор конструкционных материалов для

изготовления облегченных зеркал ............................ 9

2. Исследование бериллия - нового материала оптического приборостроения ........................................... 13

3. Разработка конструкций облегченных зеркал из бериллия.

Способы крепления зеркал .................................. 16

4. Разработка концепции технологии изготовления облегченных оптических зеркал из бериллия ТШП .......................... 19

5. Разработка и исследование технологических процессов механической обработки корпусов зеркал из

бериллия ТШП ............................................. 22

6. Разработка и исследование технологического процесса

оптической обработки бериллия ТШП ......................... 27

7. Разработка и исследование технологического процесса нанесения конструкционного стеклянного покрытия

на бериллий ТШП .......................................... 30

8. Разработка и исследование технологических процессов размерной стабилизации облегченных остеклованных

зеркал из бериллия ТШП ..........................'......... 34

9. Оптическое формообразование. Нанесение оптических

. покрытий. Испытания. Гигиена бериллия ..................... 37

10. Отработка и внедрение технологии изготовления

облегченных остеклованных бериллиевых зеркал ............. 38

Основные результаты работы ................................. 41

Список литературы ......................................... 42

ВВЕДЕНИЕ

В истории развития оптических систем можно отчетливо выделить две тенденции: конкуренцию линзовых (рефракторных) и зеркальных (рефлекторных) систем и конкуренцию стекла и металла в качестве материалов для изготовления зеркал.

Со времени создания Галилеем в 1609 г. первой оптической системы - линзового телескопа начали предприниматься попытки преодоления недостатков рефракторной оптики, основными из которых являются хроматические и сферические аберрации.

В результате до середины XVIII века развитие линзовых телескопов шло по пути создания длиннофокусных (30-40 м и более) телескопов сравнительно небольшого диаметра (4-20 см), для которых обе аберрации становятся малыми.

Альтернативная идея создания телескопов с использованием зеркал была высказана еще при жизни Галилея, однако более совершенные оптические схемы были предложены позже - Д.Грегори (1663 г.) и Кассегреном (1672 г.), причем схема Кассегрена и схема Ричи-Кретьена получили наиболее широкое распространение. Первые удачные модели оптических зеркальных систем с зеркалами из металлических материалов были созданы Ньютоном в 1668-1671 гг. Главным преимуществом рефлекторов являются отсутствие хроматических аберраций и принципиальная возможность устранения сферических аберраций, благодаря чему некоторое время астрономы отдают предпочтение зеркальным телескопам, с их более четкими и яркими изображениями.

В« «-»99

качестве материала зеркал использовался зеркальный сплав на основе меди, что в то время давало единственную возможность получать оптические поверхности с достаточно высоким коэффициентом отражения. К наивысшим достижениям того времени относятся телескоп Гершеля с бронзовым зеркалом диаметром 1220 мм (1773 г.) и телескоп У.Парсонса (лорда Росса) с бронзовым зеркалом диаметром 1820 мм (1845 г.).

Между тем появление методов расчета ахроматических линзовых систем (1758 г), совершенствование технологии варки крупногабаритных заготовок оптического стекла привели к быстрому прогрессу рефракторных систем. В течение следующих 140 лет диаметр линзовых телескопов непрерывно увеличивался. В 1898 г. в Йеркской обсерватории близ Чикаго вступил в строй самый большой в мире (диаметр 1020 мм) линзовый телескоп. При этом, по существу, был достигнут предел размеров линзовых приборов вследствие огромных трудностей получения однородных заготовок стекла для линз такого размера, больших деформаций линз под действием собственного веса и сильного уменьшения яркости изображения из-за большой толщины линз. В последние 100 лет не предпринимаются попытки превзойти это достижение.

Позиции зеркальных систем по сравнению с линзовыми сильно укрепились, когда в середине XIX века французским физиком Фуко и независимо от него немецким физиком Штейнгелем был изобретен метод нанесения на стекло серебряного отражающего слоя, а затем в 1930 г. появился метод нанесения алюминиевых отражающих покрытий. Возможность замены металлических зеркал на более высококачественные стеклянные с почти вдвое большим отражением быстро обеспечила зеркальным системам ведущее положение в астрономических исследованиях.

Историческая конкуренция рефракторных и рефлекторных систем завершилась убедительной победой последних в тех случаях, когда необходимо обеспечить возможность существенного увеличения диаметра объектива, а следовательно, чувствительности и разрешающей способности телескопа [1].

Предположение, что в перспективе будут создаваться все более крупные рефлекторы подтвердилось всем дальнейшим развитием наземного и космического теле-скопостроения:

• 1949 г. - в обсерватории Маунт-Паломар в США был введен в строй рефлектор с пятиметровым облегченным (ячеистым) монолитным стеклянным главным зеркалом;

• 1976 г. - в СССР на Кавказе около станицы Зеленчукской в Специальной астрофизической обсерватории (CAO) АН СССР начинает эксплуатироваться большой азимутальный телескоп (БТА) с шестиметровым монолитным стеклянным главным зеркалом;

• 1990 г. - на орбиту земли выведен космический телескоп "Хаббл" (Hubble Space Telescope) с главным облегченным монолитным зеркалом диаметром 2,4 метра. Главное зеркало телескопа "Хаббл" состоит из двух пластин (передняя и задняя поверхности зеркала) толщиной около 25 мм, находящихся друг от друга на расстоянии 250 мм и соединенных методом спекания между собой сотовой конструкцией из ребер толщиной около 10 мм. В качестве материала для пластин и ребер использован легированный кварц ULE (ultralow expansion) со сверхмалым коэффициентом линейного расширения;

• 1994 г. - начал работать десятиметровый телескоп В.М.Кека, который установлен на горе Мауна Кеа (Гавайи, США). Главное зеркало телескопа состоит из 36 гексагональных сегментов. Каждый сегмент имеет внеосевую асферическую оптическую поверхность, изготовлен из церодура ("Zerodur") и имеет размеры монолитного шестригранника, вписанного в окружность диаметром 1800 мм.

Приведенные примеры демонстрируют тенденцию развития рефлекторных оптических систем, что в ближайшие десятилетия будет подтверждаться введением в экс-

плуатацию наземных зеркальных крупногабаритных телескопов и космических зеркальных систем, находящихся сейчас на различных стадиях разработки и изготовления, для астрономических, астрофизических, астрометрических и т.п. наблюдений и исследований [2].

Убедительная победа зеркальных систем не привела к разрешению исторического спора между стеклянными и металлическими материалами, при изготовлении оптических зеркал, несмотря на то, что используемые для изготовления зеркал стекло и стеклообразные материалы, которые с полным основанием могут быть названы традиционными оптическими материалами (ТОМ), встретили серьезную конкуренцию со стороны металлов и других, нетрадиционных для оптики материалов.

После эпохи бронзовых зеркал, которая в основном закончилась в начале второй половины XIX века, в 30-х годах нашего века, выдающийся ученый-оптик Д.Д.Максутов возвращается к идее использования металлических зеркал в астрономических приборах. Он обращает внимание разработчиков оптических систем на преимущество использования металлов с точки зрения их физико-механических и тепло-физических свойств и создает опытные образцы зеркал (размером до 500 мм) из сплавов железа, меди и алюминия [3].

Новейший этап истории развития оптических зеркал, начало которого, видимо, следует отнести в США к 60-м годам, а в СССР к 70-м, связан с развитием космических оптических систем различного назначения, разработкой и созданием лазерной техники, а также с развитием крупногабаритного наземного телескопостроения.

В этот период в СССР возникла необходимость замены целого ряда существующих на тот момент космических зеркальных оптических систем на оптические системы нового поколения, с более совершенными параметрами и более широкими функциональными возможностями, работающими в более широком диапазоне длин волн - от рентгеновского и ультрафиолетового до инфракрасного и субмиллиметрового. При этом стремились осуществлять запуск в космос вновь создаваемых оптических систем на ракетах-носителях используемых ранее.

В этой связи к оптическим зеркалам была предъявлена совокупность новых, зачастую экстремальных требований по условиям эксплуатации и характеристикам, в том числе по габаритам, точности формы оптической поверхности, оптико-физическим параметрам (отражение, рассеяние и т.п.), динамическим нагрузкам, рабочим температурным полям (от мощного теплового воздействия до криогенных температур). Особо следует отметить очень жесткие требования по минимизации массы зеркал, которая в конечном счете определяет массу всей оптической аппаратуры.

Удовлетворение вышеизложенных требований в рамках традиционного опыта

создания зеркал из стекла и стеклообразных материалов оказалось практически невозможным и привело к необходимости разработки новых подходов к созданию оптических зеркал и новых технологий их создания.

Настоящая диссертационная работа направлена на решение задачи создания облегченных оптических зеркал для информационных космических систем - и в этом состоит ее актуальность.

Работа посвящена исследованию и разработке технологии изготовления космических облегченных оптических зеркал с вогнутой и выпуклой асферической и плоской формами оптической поверхности диаметром до 1000 мм, массой зеркал в пределах

-у

40-50 кг на 1 м оптической поверхности, максимальным коэффициентом зеркального отражения и минимальным рассеянием для рабочих длин волн на оптических поверхностях.

Точности формы оптической поверхности зеркал должна обеспечивать создание космических систем дифракционного качества для работы в видимой и ИК областях спектра.

Среднеквадратичное отклонение формы оптической поверхности <тск0 от расчетной не должно превышать , где Я,р - рабочая длина волны.

Облегченные зеркала оптических космических систем должны сохранять точность формы оптической поверхности (обладать размерной стабильностью) как на всех этапах изготовления, так и при эксплуатации в составе аппаратуры.

Из изложенного логически вытекает цель диссертационной работы, которая состоит

• в анализе конструкционных материалов для изготовления оптических зеркал, обоснованном выборе, исследовании и практическом использовании бериллия в качестве конструкционного материала облегченных оптических зеркал;

• в разработке концепции создания (изготовления) облегченных оптических зеркал из бериллия - последовательности основных технологических операций;

• в разработке и исследовании целого ряда технологий для возможности осуществления отдельных операций изготовления зеркал (технология изготовления корпусов зеркал, технология нанесения конструкционного стеклянного покрытия, совокупность технологий обеспечивающих размерную стабильность зеркал и т.п.);

• во внедрении результатов исследований и разработок в производство облегченных бериллиевых зеркал, их испытании и аттестации.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые в СССР был разработан,

исследован и внедрен в производство технологический процесс изготовления облегченных оптических зеркал из бериллия диаметром до 1000 мм.

Впервые в мировой практике разработан и исследован ряд новых технологий, необходимых для осуществления отдельных этапов создания облегченных космических зеркал из бериллия.

Впервые в мировой практике выявлены взаимосвязь и взаимное влияние механических, термических, химических, оптических и других используемых технологий при интеграции их в единый технологический процесс создания оптических зеркал из бериллия.

Практическая ценность работы состоит в том, что по разработанному и внедренному в производство технологическому процессу изготовления облегченных оптических зеркал была изготовлена целая гамма космических оптических зеркал для систем и комплексов различного назначения, часть из которых эксплуатируется до настоящего времени [4,5].

Научные результаты интеграции отдельных технологий в технологический процесс создания оптических зеркал из бериллия легли в основу создания технологий изготовления оптических зеркал из других нетрадиционных для оптики материалов (алюминиевых и медных сплавов, кремния, карбида кремния и т.п.).

Это позволило создать зеркала, которые работают в экстремальных условиях и в разнообразных оптических и лазерных приборах и системах [2].

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Технологический процесс изготовления оптических зеркал из бериллия со стеклянным конструкционным покрытием. Концепция. Последовательность технологических операций. Их необходимость и достаточность.

2. Методика выбора материалов для создания оптических зеркал.

3. Разработка и исследование новых технологий для процесса изготовления зеркал из бериллия:

3.1. Технология механической обработки корпусов зеркал из бериллия.

3.2. Технология нанесения конструкционного стеклянного покрытия на бериллий.

3.3. Технология размерной стабилизации остеклованных бериллиевых зеркал.

4. Результаты внедрения технологии изготовления оптических зеркал из бериллия.

1. Анализ и выбор конструкционных материалов для изготовления облегченных зеркал.

Важнейшим требованием к зеркалам космических информационных систем является обеспечение минимальной массы при заданных функциональных характеристиках - размерах, точности формы оптической поверхности и оптико-физических характеристиках.

Наряду с этими требованиями при разработке возможных путей создания космических зеркал необходимо принимать во внимание следующие определяющие обстоятельства. В отличие от зеркал наземных приборов, условия эксплуатации космических зеркал (невесомость) и изготовления (действие силы тяжести) принципиально отличаются. Кроме того, принципиально различают требования к соединению зеркала с несущими конструкциями прибора. Наземные зеркала, как правило, лишь касаются несущей конструкции в зонах, расположенных на тыльной и боковой поверхностях, нагружая ее составляющими собственного веса. Очевидно, что такая идеология крепления непригодна в случае космических зеркал, испытывающих значительные инерционные, вибрационные и ударные нагрузки в период вывода на орбиту.

Анализ опыта создания зеркал из традиционных оптических материалов, при учете изложенных выше обстоятельств, приводит к выводу, что рассчитывать на успех решения поставленных задач можно только в рамках концепции космического зеркала как "жесткого" зеркала, т.е. способного сохранять форму оптической поверхности в пределах заданных допусков во всех условиях изготовления и эксплуатации.

Суммируя вышеизложенное, можно сформулировать следующие основные требования к материалам для космических облегченных оптических зеркал:

• минимальная плотность р;

• максимальный модуль упругости Е;

• минимальный температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) а;

• максимальная теплопроводность X;

• изотр�