Создание технологии производства крупногабаритных заготовок оптического ситалла СО-115М

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание технологии производства крупногабаритных заготовок оптического ситалла СО-115М

А.Н. Игнатов

Е.Ю. Крехова

ОАО ЛЗОС

Более 40 лет ОАО ЛЗОС является производителем стеклокристаллического материала СО-115М с нулевым коэффициентом термического линейного расширения (ТКЛР). Модернизация стекловаренного, отжигового и обрабатывающего оборудования, а также внедрение новой аппаратуры и методов контроля ТКЛР обеспечивают заготовкам из ситалла устойчивый спрос на международном рынке.

Одним из постоянно производимых на ОАО ЛЗОС материалов является стеклокристаллический материал СО-115М (астроситалл). Разработка основ производства крупных дисков с близким к нулю ТКЛР в интервале температур от 5 ч 40 °С на основе стеклокристаллических материалов, для использования в качестве главных зеркал крупных телескопов, была начата как инициативная, но уже в марте 1961 года вышло Постановление Правительства № 222-89, предусматривающее финансирование и проведение этих работ. После отработки варки стекол нескольких составов в производственных сосудах, в 1965 году было начата варка стекла одного из тугоплавких составов в ванной печи, так началось производство СО-115 М.

Отличительные особенности данного материала (см. табл. 1):

технологичность выработки и последующей обработки заготовок из него;

коэффициент теплового расширения (ТКЛР) близкий к нулевому в широком диапазоне температур;

хорошая однородность по ТКЛР;

хорошая химическая устойчивость.

Все это позволяет применять его в областях, где недопустимо влияние температурных колебаний на линейные размеры конструкционных элементов, создаваемых систем космического и наземного базирования. Одно из основных применений ситалла СО-115М - подложки зеркал больших астрономических телескопов. Успешное применение СО-115М в этой области, обусловило развитие его производства на ОАО ЛЗОС в направлении создания технологии выработки все более крупногабаритных отливок.

Таблица 1. Основные свойства ситалла СО-115 М

Производство ситалла на ОАО ЛЗОС в настоящее время осуществляется по традиционной для стекловарения технологии, включающей в себя следующие стадии: подготовка сырьевой смеси, варка в ванной регенеративной печи периодического действия, студка стекломассы, отлив (формование) и термообработка.

Сырьевая смесь подготавливается в соответствии с установленными на ОАО ЛЗОС нормативными документами на автоматической весовой линии (рис. 1). Варка стекла осуществляется в ванной регенеративной печи периодического действия (рис. 2). Варка - сложный, многостадийный процесс, в результате которого из шихты образуется однородная стекломасса.

Продолжительность основных стадий варки приведена на рис. 3, общая продолжительность может колебаться в зависимости от отливаемого количества стекломассы из печи от 11 до 15 суток.

Рис. 1. Автоматическая весовая линия для составления шихты

Рис. 2. Ванная регенеративная печь (со стороны засыпки)

По окончании варки осуществляется короткий по времени (1-2 часа), если не считать подготовительных операций, но очень значимый для получения в дальнейшем годной заготовки этап - отлив (рис. 4). Все операции ни отливе рассчитаны строго по минутам, чтобы температура заготовки оставалась в пределах, установленных техпроцессом. Подготовка к отливу ведется в течение двух предшествующих дате отлива суток.

Рис. 3. Продолжительность основных стадий варки стекла для производства ситалла СО-115М

Рис. 4. Процесс отлива в форму

Особое внимание при отработке технологии производства крупногабаритных заготовок уделяется последней стадии - термообработке. Именно на этой стадии стекло, принадлежащее Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ системе, превращается в стеклокристаллический материал за счет объемного выделения определенного количества микрокристаллов с размером, не превышающих длину волны света (0,4 мкм). При этом близкий к нулю ТКЛР конечного материала обеспечивается результирующим расширением двух фаз: остаточной стеклофазой, имеющей положительное значение ТКЛР и кристаллической фазой с отрицательным ТКЛР (в-эвкриптит).

Таким образом, в процессе термообработки ситалловых отливок осуществляется не только отжиг с целью снятия напряжений, способных вызвать разрушение материала, но и кристаллизация - для обеспечения выделения необходимого количества кристаллической фазы. Поэтому часто термообработка стекла для ситалла СО-115М называется процессом совместного отжига и кристаллизации.

Процесс термообработки осуществляется в специальных электрических печах (рис. 5) по предварительно выбранному режиму, в соответствии с установленными рекомендациями для ситаллов [1]. Типичный режим термообработки крупногабаритных отливок из ситалла приведен на рис.6. Данный режим двухступенчатый.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Схема печи отжига

Рис. 6. Режим термообработки заготовки ситалла (для Ш 3,5 м)

При выдержке на первой ступени кристаллизации в области температуры размягчения стекла состава СО-115М происходит подготовка структуры стекла к выделению микрокристаллов (образование центров кристаллизации), т. е. создаются условия для роста кристаллов в дальнейшем. При выдержке на второй ступени при температуре соответствующей температуре кристаллизации осуществляется собственно рост кристаллов.

Скорости подъема и снижения температуры устанавливаются так, чтобы не допустить деформацию изделия, возникновение предельных напряжений и опасного температурного градиента.

До настоящего времени на ОАО ЛЗОС производились отливки из ситалла СО-115 М Ш до 3000 мм. В то же время, внедрение нового комплекса оборудования позволит получать отливки Ш до 4000 мм. Разработка комплекса оборудования включала в себя следующий объем работ:

модернизация стекловаренной печи, которая, прежде всего, связана с изменением габаритов бассейна в сторону увеличения для увеличения объема навариваемой и отливаемой стекломассы, а также создания автоматизированной системы управления печью;

усовершенствование выработочного узла: увеличение размеров сливной трубы и усовершенствование способа ее разогрева в период отлива;

создание новой конструкции платформы, обеспечивающей во время отлива перемещение формы со стекломассой общим весом - 30 т;

создание модернизированной отжиговой печи для проведения термообработки заготовок Ш 3500-4000 мм, обеспечивающий точное ведение температурного режима процесса отжига и кристаллизации.

Однако, для удовлетворения современных требований к материалам, используемым для создания зеркал больших оптических телескопов, недостаточно создать материал с нулевым значением ТКЛР, важно добиться высокой его однородности в заготовке, чтобы избежать связанных с температурой искажений формы оптической поверхности отдельных зеркальных сегментов. Например, для главного зеркала телескопа SALT требуется, чтобы в рабочем интервале температур 0⁰С …+20⁰С максимальное отклонение ТКЛР от среднего значения не превышало 1,5^.10^-8 К^-1 в пределах заготовки одиночного сегмента [2]. Для контроля ТКЛР таких материалов требуется наличие измерительной аппаратуры соответствующего уровня точности. Используемые ранее на ОАО ЛЗОС интерференционные дилатометры, обеспечивающие определение ТКЛР с погрешностью 5^.10^-8 1/⁰С, непригодны для контроля материалов заготовок астрономических зеркал.

Теоретический анализ показывает, что точность контроля ТКЛР малорасширяющихся материалов, аналогичных ситаллу, определяется, прежде всего, погрешностью системы измерения линейного удлинения образца. Поэтому, прежде всего, была проведена модернизации интерферометрической системы, включая автоматизацию процесса регистрации и обработки интерференционной картины [2].

Рис. 7. Измерительный блок модернизированного интерференционного дилатометра

Рис. 8. Экспериментальная дилатометрическая установка на основе лазерного гетеродинного интерферометра

Картина полос, изображаемая оптической системой интерферометра регистрируется при помощи телевизионной камеры и через устройство видеозахвата в цифровом виде передается на персональный компьютер. Для обработки изображения, разработано специальное программное обеспечение, основной задачей которого является определение координат интерференционных полос. Измерительный блок (оптическая часть с термокамерой) модернизированного дилатометра, обеспечивающего погрешность измерения в диапазоне температур 0ч20 С порядка 2^.10^-8 1/⁰С, показана на рис. 7.

Также, с целью повышения точности контроля на имеющихся установках наряду с традиционным абсолютным методом контроля был реализован способ, использующий метод дифференциальных измерений, при котором определяется разность ТКЛР двух образцов. Для реализации этого метода изготавливается специальный образец сравнения, который одновременно является одним из зеркал интерферометра [3].Таким образом, разность хода лучей в интерферометре определяется разностью между высотой исследуемого образца и высотой образца сравнения, которая может быть весьма малой. При этом погрешность измерения ТКЛР в диапазоне температур 0ч20 С, составляет величину 7^.10^-9 1/⁰Сч8^.10^-9 1/⁰С.

Точность измерений дифференциальным методом тем выше, чем ближе ТКЛР исследуемого образца и образца сравнения, поэтому дифференциальный метод может обеспечить преимущество перед методом абсолютных измерений при контроле однородности ТКЛР заготовок больших размеров. При этом из каждой варки материала изготавливается один образец сравнения, относительно которого исследуются все остальные образцы.

Также, на ОАО ЛЗОС, ведутся работы по изготовлению дилатометра ДИАН-1(разработка ФГУП ВНИИМ имени Д.И. Менделеева) с пределом допускаемой погрешности измерений ТКЛР в диапазоне температур -60 до +100 ⁰С на уровне 1^.10^-8 1/ ⁰С. Готовится к внедрению принципиально новый дилатометр, основанный на методе гетеродинной интерферометрии [4], который, обладая рядом преимуществ в части помехозащищенности и чувствительности, позволит повысить точность контроля при поведении измерений по абсолютному методу (рис. 8).

Внедрение новых дилатометров обеспечит выполнение требований, предъявляемых к контролю ситалла CO-115М не только в рамках выполнения текущих проектов, но и для перспективных работ по изготовлению крупногабаритных оптических телескопов.

С помощью модернизированных дилатометрических установок ЛЗОСа проводились исследования ТКЛР заготовок ситалла для главного зеркала 10-ти метрового Южно-Африканского Большого Телескопа (Southern African Lager Teiescope-SALT).

Рис. 9. Распределение среднего значения ТКЛР для 96 заготовок зеркала проекта SALT. Красными линиями выделены границы требований к ТКЛР для проекта E-ELT

Рис. 10. Распределение однородности значения ТКЛР для 96 заготовок зеркала проекта SALT. Красной линией выделена граница требований к однородности ТКЛР для проекта E-ELT

Результаты измерений, приведенных на рис. 9-10 демонстрируют, что по среднему значению ТКЛР и распределению однородности значения ТКЛР заготовки ситалла СО-115М, производимые ОАО ЛЗОС, удовлетворяют требованиями, предъявляемыми к материалам для производства зеркал современных больших телескопов. Таким образом, ОАО ЛЗОС обладает необходимым потенциалом для участия в новых международных проектах.

Литература

ситалл отливка шихта

1. Павлушкин Н.М. Основы технологии ситаллов./Москва, изд. Лит. по строит., 1970 г., стр.176-187, 352.

2. Ponin O.V. e.a. Demonstrating the suitability of Sitall for the SALT primary mirror./ Proc. of SPIE, Vol. 4837 (2003) p.795-804.

3. Шаров А.А. и др. Способ определения неоднородности коэффициента линейного расширения оптической заготовки./ Патент РФ на изобретение №2254567, G01N 25/16, G09B 9/02. Опубликовано: 20.06.2005 Бюл. № 17.

4. Кулеш В.П. и др. Гетеродинный лазерный интерферометр для дилатометрических исследований. / Измерительная техника, 2009, № 12.

Размещено на Allbest.ru