Способ изготовления металлического зеркала

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в технологии изготовления металлических зеркал и, в особенности, крупногабаритных зеркал из бериллия и бериллийсодержащих сплавов для приборов наблюдения и лазерных установок. Сущность: для осуществления способа несущее основание соединяют с пластиной-зеркалом. Затем производят термические и оптические обработки зеркала. При этом пластину-зеркало изготовляют из металла пригодного для полировки и приваривают взрывом к несущему основанию. После чего полученную заготовку отжигают в вакуумной печи при температуре 800±20°С в течение одного часа, а затем охлаждают. При этом скорость нагрева и охлаждения не превышает 50°С в час. Кроме того, к несущему основанию могут последовательно приваривать взрывом необходимое количество слоев металла, из которых состоит пластина-зеркало, в толщинах 0,8-12,0 мм. Технический результат: повышение термической стойкости и размерной стабильности зеркала, а также увеличение толщины пластины-зеркала без остаточной деформации несущего основания. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в технологии изготовления металлических зеркал и в особенности крупногабаритных зеркал из бериллия и бериллийсодержащих сплавов для приборов наблюдения и лазерных установок.

Известен способ изготовления оптических зеркал приборов наблюдения, по которому на металлический сотовый наполнитель наклеивают пластины из бериллия (см. патент США №3600257, кл. 350-310, опубл. 17.08.71 г.).

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость, низкая прочность и жесткость конструкции из-за большого числа узлов сочления.

Известен способ изготовления зеркал из бериллия, покрытого никель-фосфидными пленками, по методу химического никелирования (″J.T.Bloxom, J.B.Schroeder. Preparation of Optical Surfaces on Beryllium. Applied Optics, vol 9, №3, 1970). Способ имеет следующие недостатки: наиболее отработан и пригоден только для никелевого покрытия и не позволяет наносить другие металлы, малая толщина покрытия,при необходимости увеличения которой значительно увеличивается продолжительность и энергоемкость процесса, кроме того, остаточные напряжения между подложкой и покрытием достигают высоких значений, при которых происходит разрушение покрытий.

Известен способ нанесения покрытия, по которому образуют рабочую поверхность путем напыления. Недостатком способа является большая длительность процесса: около 10 часов и высокие температуры нагрева: 500-850°С. При нанесении разноименных массивных слоев меди, молибдена и др. образуется прослойка интерметаллидов, приводящая к разделению напыленного слоя и подложки. Кроме того, нанесение многокомпонентных сплавов практически очень затруднено. (Л.Холленд. Напыление пленок в вакууме. М.: Госэнергоиздат, 1963 г.).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ изготовления зеркала по патенту Великобритании №1296819, МКИ G 02 В 5/08; B 23 B 15/04, НКИ G 2 J 11A, 11В3, 1972 г., заключающийся в спекании c металлическим несущим основанием, в частности с основанием из бериллия, слоя стекла, который затем полируют, а на полученную рабочую поверхность наносят отражающий слой.

Однако этот способ позволяет получать рабочую поверхность только по стеклу, что значительно ограничивает область применения "зеркал, а в случае, работы в области интенсивных тепловых излучений такое зеркало не работоспособно из-за низкой термической стойкости отражающей поверхности. Кроме того, при спекании стекла с основанием, так же как и при напылении, происходит длительный нагрев, который сопровождается нежелательными диффузионными процессами на границе с основанием зеркала, при этом из-за разницы коэффициентов термического расширения, возникают напряжения, которые крайне затрудняют получение высокоточных зеркал для размеров зеркала более 1 м.

Целью предлагаемого изобретения является разработка способа изготовления зеркал для приборов наблюдения и силовых установок, позволяющего повысить термическую стойкость и размерную стабильность зеркал, исключить длительные высокотемпературные нагревы в процессе изготовления.

Поставленная цель достигается за счет того, что к несущему металлическому основанию, преимущественно из бериллия или бериллийсодержащих сплавов, приваривают взрывом пластину-зеркало из слоя металла, пригодного для полировки, полученную заготовку отжигают в вакуумной печи при температуре 800±20°С в течение 1 часа, причем скорость нагрева не превышает 50°С в час, затем приваренную пластину-зеркало подвергают оптической обработке, получая рабочую поверхность зеркала. Известно (И.И.Папиров. Бериллий - конструкционный материал. М.: Машиностроение, 1977 г., с.66), что после обработки взрывом и рекристаллизации крупнозернистый бериллий имеет зерно 10-20 мкм. Авторы считают, что обработка взрывом является перспективным методом измельчения зерна в бериллии. Следовательно, этот положительный эффект будет сопутствовать и процессу сварки взрывом заготовки зеркала.

Если зеркало будет работать в условиях низкой интенсивности теплового потока, то на подложку приваривают тонкий 0,8-4 мм слой металла, например меди или ее сплавов, нержавеющей стали, молибдена, никеля или любого другого металла, пригодного для полирования и получения по нему отражающей поверхности.

Нижнее значение толщины привариваемого слоя обуславливается тем, что более тонкий слой металла может разрушаться при сварке взрывом на фронте ударной волны.

Если предполагается использование зеркала в условиях высокоинтенсивных тепловых потоков, термическая стойкость отражающей поверхности во многом определяется теплофизическими свойствами рабочего слоя и его массой. Поэтому необходимо иметь слои с хорошей теплопроводностью и теплоемкостью, при большой их толщине. В связи с этим приваривают слои металла толщиной до 8-12 мм.

Верхнее значение толщины привариваемого слоя ограничивается величиной заряда взрывчатого вещества, применяемого для сварки. При этом, как показывает практика, если толщина привариваемого слоя больше 12 мм, величина заряда взрывчатки становится столь значительной, что неизбежны остаточные деформации основания, поэтому приваривать пластины толщиной более 12 мм нерационально.

Чтобы получить пластину-зеркало практически любой требуемой толщины применяют многократное последовательное приваривание взрывом слоев металла, из которого получают пластину-зеркало.

Примеры реализации

1. На несущее основание из сплава АБМ-1 размером 300×300×14 мм приваривали медную пластину-зеркало толщиной 1 мм. В качестве заряда взрывчатого вещества использовали смесь аммонита №6 ЖВ с измельченной аммиачной селитрой в соотношении 50:50, имевшую плотность 1 г/см³ и скорость детонации 0,27 см/мксек. Высота рабочего заряда составляла 10 мм. Пластину меди устанавливали с начальным зазором, равным 5 мм. После сварки взрывом медь обрабатывали и полировали до получения отражающей поверхности.

Проведенные испытания образцов свидетелей, полученных по приведенной технологии, показали, что прочность сцепления пластины-зеркала с основанием на отрыв была не ниже 140 МПа. Испытывали образцы диаметром 36 мм с проточкой в центре ⊘10,1 мм. Пуансоном ⊘10 мм нагружали приваренный взрывом слой до отрыва. Испытали пять образцов, которые показали прочность на отрыв 147,2; 144,6; 140,4; 141,2; 143,4 МПа.

После 10 нагревов до +70°С и охлаждения до комнатной температуры никаких нарушений сплошности сцепления не наблюдалось. Прочность на отрыв оставалась на том же уровне.

Заявляемый способ изготовления металлического зеркала дозволяет получить следующие технико-экономические преимущества по сравнению с прототипом:

1. Изготовлять термически стойкие зеркала, сохраняющие высокую размерную стабильность и работоспособность при воздействии тепловых потоков высокой интенсивности, за счет обеспечения возможности использования в качестве пластины-зеркала слоя любого металла практически любой толщины.

2. Исключить длительный высокотемпературный нагрев зеркала в процессе изготовления, вследствие чего устраняются нежелательные диффузионные процессы между несущим основанием и пластиной-зеркалом.

3. Заменить стеклянную пластину-зеркало на металлическую, за счет чего обеспечивается значительное снижение веса, что имеет первостепенное значение при выводе изделия на орбиту.

Формула изобретения

1. Способ изготовления металлического зеркала, преимущественно из бериллия и его сплавов, включающий соединение несущего основания с пластиной-зеркалом и последующие термические и оптические обработки зеркала, отличающийся тем, что, с целью повышения термической стойкости и размерной стабильности зеркала, пластину-зеркало изготовляют из металла, пригодного для полировки, и взрывом приваривают к несущему основанию, а полученную заготовку отжигают в вакуумной печи при температуре 800±20°С в течение одного часа, а затем охлаждают, причем скорость нагрева и охлаждения не превышает 50°С в час.

2. Способ изготовления зеркала по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения толщины пластины-зеркала без остаточной деформации несущего основания, к несущему основанию последовательно приваривают взрывом необходимое количество слоев металла, из которого состоит пластина-зеркало, в толщинах 0,8-12,0 мм.