CN102495438A - 一种轻质反射镜镜坯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻质反射镜镜坯及其制备方法，对γ-TiAl合金基底表面进行打磨，将厚度为300μm的TC4箔材置于γ-TiAl合金基底上，置入真空热压烧结炉中进行扩散连接后随炉冷却至室温，将制备好的TiAl/TC4连接件放入箱式电阻炉中，加热并保温，得到均匀的TC4表面氧化层；将K9玻璃放在氧化后的TiAl/TC4连接件上，置于TC4表面氧化层一面，整体置入箱式电阻炉中施加压力并加热后随炉冷却到室温，最终得到镜坯。本发明重量轻，强度大，具有良好的抗热震性能，能满足实际应用的要求。

Description

一种轻质反射镜镜坯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光学器件的镜坯，以及制备方法。

背景技术

目前大面积反射镜主要有：1.钛反射镜，其制造工艺是利用某些光学玻璃与钛合金膨胀系数接近的特性，将钛合金镜座和玻璃通过高温熔封在一起，然后经过机械、热处理、光学等加工制成大面积轻质反射镜。其熔封工艺的关键问题是要控制好熔封温度以及材料的热稳定处理。中国建筑材料科学研究总院制备了特种玻璃，以实现与钛金属基体的热膨胀系数等性能的匹配，并在2006年申请了发明专利(专利申请号200610114376.0)。2.碳化硅反射镜，其制备通常采用反应烧结法，化学气相沉积法，热压法等得到反射镜镜坯，但是其制造工艺复杂，难以满足大面积反射镜的制备要求。3.铝合金轻质反射镜，铝合金材质软，线膨胀系数比较大，零件随温度的变化变形量较大，使光学系统稳定性差。

钛合金作为一种新型轻质反射镜基体材料，目前得到广泛应用，但是钛合金密度较大，总体重量下降空间小，而且钛合金的刚度和强度相对较小，从而受力变形使得反射镜的稳定性降低，用钛合金做反射镜的基体难以满足大口径反射镜的减重和稳定性要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种轻质反射镜镜坯，重量轻，强度大，具有良好的抗热震性能，能满足实际应用的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种轻质反射镜镜坯，包括基底、钛合金过渡层和光学玻璃，基底材料为γ-TiAl金属间化合物，钛合金过渡层与基底紧密结合，钛合金过渡层上封接光学玻璃。

所述的基底为平板或具有轻量化设计的蜂窝状结构，代替传统反射镜的镜框，为玻璃提供支撑功能。

所述的光学玻璃为光学性能较好的K9玻璃，其热膨胀系数为7×10^-6K^-1。

所述的钛合金过渡层为与光学玻璃热膨胀系数相匹配的Ti-6Al-4V合金(即TC4)。

所述的钛合金过渡层的厚度为300μm。

本发明还提供一种所述轻质反射镜镜坯的制备方法，包括以下步骤：

(1)用砂纸对γ-TiAl合金基底表面进行打磨，选择厚度为300μm的TC4箔材作为中间过渡层。将TC4箔材置于γ-TiAl合金基底上，整体置入真空热压烧结炉中，进行扩散连接，热压工艺参数为温度900℃，施加恒定压力20MPa，保温1.5h，然后随炉冷却至室温，得到TiAl/TC4连接件。

(2)将制备好的TiAl/TC4连接件放入箱式电阻炉中，加热到550℃，保温1h，得到均匀的TC4表面氧化层。

(3)将K9玻璃放在氧化后的TiAl/TC4连接件上，置于TC4表面氧化层一面，整体置入箱式电阻炉中加热，并施加恒定压力0.15MPa，热压工艺参数为温度680℃，保温1.5h，然后随炉冷却到室温，最终得到镜坯。

本发明的有益效果是：由于采用适当的连接工艺，实现了将基底、钛合金过渡层及光学玻璃三者之间的优良结合，玻璃内无裂缝和气孔存在。将所制备的镜坯从室温快速加热到400度并保温30min，然后取出在室温下空冷至室温，如此反复，结果表明，经过20次热震实验后，玻璃表面一直没有裂纹产生，表明该镜坯具有良好的抗热震性能，能满足实际应用的要求。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明镜坯结构的示意图；

图中，1-基底，2-钛合金过渡层，3-光学玻璃。

具体实施方式

装置实施例：

本发明采用的基体材料为γ-TiAl金属间化合物，该材料相对于钛合金具有更高的模量和更低的密度，能够满足大口径反射镜的减重要求以及相应的尺寸稳定性(γ-TiAl基高温结构材料研究评述，章德铭等，中国稀土学报[J]，2005年，23(165))。表1所示为TiAl与TC4合金的物理性能对照表。

表1 TiAl与TC4合金的物理性能对照表

采用名义成分为Ti-43Al-9V(at.％)的γ-TiAl合金；光学玻璃为K9玻璃，其厚度为1mm，属于硼硅酸盐玻璃；所用的过渡层材料为Ti-6Al-4V合金，即TC4。

方法实施例：

第一步是TiAl和TC4的扩散连接。所用的TiAl基合金尺寸为长51mm、宽37mm、厚度5mm，所用TC4为厚度约为300μm的箔材，将两者的表面经打磨清洗和烘干后叠放在一起，在真空热压烧结炉中进行扩散连接，热压工艺为900℃×1.5h×20MPa，然后随炉冷却到室温，得到TiAl/TC4连接件。

之后，进入制备镜坯的第二步。将TC4表面进行打磨抛光后，放入箱式电阻炉加热到550℃，进行1h的恒温氧化处理后随炉冷却，使连接件表面得到浅蓝色TC4的均匀氧化层。

TC4表面氧化好后，进入制备镜坯的关键一步，即TiAl/TC4连接件和K9玻璃之间的连接。将玻璃与TC4表面相接触后放入到箱式电阻炉中，并施加恒定压力0.15MPa，热压工艺参数为温度680℃保温1.5h，然后随炉冷却到室温。最终完成镜坯的制备。

所制备的镜坯，玻璃内无裂纹或气泡存在，玻璃与TC4之间以及TC4与TiAl之间的界面结合良好。该镜坯在30-400℃之间的20次热震实验表明，玻璃没有出现开裂现象。

Claims (6)

1.一种轻质反射镜镜坯，包括基底、钛合金过渡层和光学玻璃，其特征在于：基底材料为γ-TiAl金属间化合物，钛合金过渡层与基底紧密结合，钛合金过渡层上封接光学玻璃。

2.根据权利要求1所述的轻质反射镜镜坯，其特征在于：所述的基底为平板或蜂窝状结构。

3.根据权利要求1所述的轻质反射镜镜坯，其特征在于：光学玻璃为K9玻璃，其热膨胀系数为7×10^-6K^-1。

4.根据权利要求1所述的轻质反射镜镜坯，其特征在于：所述的钛合金过渡层为与光学玻璃热膨胀系数相匹配的Ti-6Al-4V合金。

5.根据权利要求1所述的轻质反射镜镜坯，其特征在于：所述的钛合金过渡层的厚度为300μm。

6.一种权利要求1所述轻质反射镜镜坯的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)用砂纸对γ-TiAl合金基底表面进行打磨，选择厚度为300μm的TC4箔材作为中间过渡层；将TC4箔材置于γ-TiAl合金基底上，整体置入真空热压烧结炉中，进行扩散连接，热压工艺参数为温度900℃，施加恒定压力20MPa，保温1.5h，然后随炉冷却至室温，得到TiAl/TC4连接件；

(2)将制备好的TiAl/TC4连接件放入箱式电阻炉中，加热到550℃，保温1h，得到均匀的TC4表面氧化层；

(3)将K9玻璃放在氧化后的TiAl/TC4连接件上，置于TC4表面氧化层一面，整体置入箱式电阻炉中加热，并施加恒定压力0.15MPa，热压工艺参数为温度680℃，保温1.5h，然后随炉冷却到室温，最终得到镜坯。

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