Способ изготовления двухстороннего зеркала с корпусом из бериллиевого сплава Российский патент 2023 года по МПК G02B5/08 B29D11/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в области оптики, лазерной техники и оптоэлектроники.

Для ряда применений высокую эффективность показывают двухсторонние зеркала, т.е. зеркала, имеющие две оптические поверхности, сформированные на противоположных поверхностях корпуса зеркала. Так, известно двухстороннее зеркало с корпусом из оптического стекла [С.А. Архипов. Опыт разработки и изготовления узла крупногабаритного сканирующего зеркала изделия 17В39 //Научно-технический журнал «Контенант», т. 18, № 3, 2019 – С. 5-15].

Недостатком известного зеркала является малая удельная жесткость оптического стекла (т.е. отношение модуля упругости материала к плотности материала), что увеличивает массу и размеры изготавливаемого из оптического стекла зеркала.

В отличие от традиционных для оптики материалов (стекло, ситалл), бериллий имеет существенные преимущества по удельной жесткости. Известен способ изготовления двухстороннего зеркала с корпусом из бериллиевого сплава со стеклянными конструкционными покрытиями на оптических поверхностях зеркала [С.В. Любарский. Разработка и исследование технологического процесса изготовления оптических зеркал из бериллия / Диссертация в форме научного доклада… кандидата технических наук // Санкт-Петербург, 1998, с. 30-38], который авторы выбрали в качестве ближайшего аналога. Способ включает в себя формирование на одной из сторон корпуса зеркала из бериллиевого сплава конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 толщиной 3-4 мм, формирование на противоположной стороне корпуса зеркала конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 толщиной 3-4 мм, последующие термическую обработку заготовки зеркала, механическую обработку поверхностей конструкционных покрытий до оптического качества и нанесение отражающих покрытий.

Недостатком известного способа является высокая трудоемкость изготовления зеркала, связанная с большой продолжительностью цикла изготовления, а также относительно неширокий температурный диапазон стабильности зеркала.

Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение трудоемкости изготовления двухсторонних зеркал с корпусом из бериллиевого сплава за счет сокращения продолжительности цикла изготовления зеркала и расширение температурного диапазона стабильности зеркала.

Технический результат достигается тем, что при реализации способа изготовления двухстороннего зеркала с корпусом из бериллиевого сплава со стеклянными конструкционными покрытиями оптических поверхностей, включающего формирование конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 на одной из сторон корпуса зеркала, формирование конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 на противоположенной стороне корпуса зеркала, термообработку полученной заготовки зеркала, механическую обработку поверхностей конструкционных покрытий до оптического качества и нанесение на них отражающих покрытий, предварительно корпус зеркала термообрабатывают на воздухе при температуре 640-660°С в течение 10-40 минут, осуществляя нагрев корпуса зеркала со скоростью не более 300°С/час, с последующим охлаждением со скоростью охлаждения не более 100°С/час, формирование конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 на корпусе зеркала осуществляют стеклом толщиной 2,5-3,0 мм при температуре 640-660°С в течение 30-40 минут, причем нагрев осуществляют со скоростью нагрева 200-220°С/час, а охлаждение до температуры 200°С проводят с 30-40 минутными изотермическими выдержками через каждые 100°С с последующим охлаждением без изотермических выдержек, формирование конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 осуществляют стеклом толщиной 2,0-3,0 мм при температуре 550-570°С в течение 30-40 минут, причем нагрев осуществляют со скоростью нагрева 100-110°С/час, а охлаждение до температуры 200°С проводят с 30-40 минутными изотермическими выдержками через каждые 100°С с последующим охлаждением без изотермических выдержек, при этом временной промежуток между окончанием процесса формирования конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 и началом процесса формирования конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 не превышает 3 часов, предварительную механическую обработку конструкционных покрытий осуществляют до толщины 0,9-1,1 мм последовательно уменьшая толщину каждого покрытия на 0,3-0,5 мм, после чего проводят трёхкратную циклическую термообработку при температуре минус (80±5)°С – (120±5)°С, с изотермическими выдержками в течение 30-40 минут, затем проводят двустороннюю механическую обработку нанесенных конструкционных покрытий до оптического качества и нанесение отражающих покрытий на обе стороны зеркала.

Термообработка корпуса при температуре 640-660°С на воздухе в течение 10-40 минут обеспечивает окисление поверхности бериллиевого сплава, за счет чего увеличивается адгезия формируемых стеклянных покрытий на поверхности корпуса зеркала. Как показали эксперименты, проведение термообработки при температурах ниже 640°С и в течение менее 10 минут недостаточно для получения на поверхности необходимого адгезионно-активного слоя, тогда как при проведении термообработки при температурах более 660°С и в течение более 40 минут образующийся слой оказывается слишком толстым и сам имеет плохое сцепление с корпусом зеркала. Скорость нагрева корпуса зеркала не должна превышать 300°С/час, что обеспечивает сохранение формы корпуса, изменение которой происходит при более высоких скоростях нагрева за счет неоднородности поля температур в корпусе при таких условиях. С этим также связано ограничение по скорости охлаждения корпуса зеркала, которая не должна превышать 100°С/час.

Формирование конструкционного покрытия из стекол КФ-11593 и ТФ-1608-Б2 на корпусе зеркала осуществляют стеклами толщиной 2,0-3,0 мм. Использование стекол большей толщины приводит в большинстве случаев к их разрушению из-за высоких внутренних термических напряжений, формирующихся в стекле. Использование стекол толщиной менее 2,0 мм не позволяет качественно выполнить последующие операции оптической обработки. Формирование конструкционных покрытий при температурах ниже 640°С для стекла КФ-11593 и ниже 550°С для стекла ТФ-1608-Б2 не обеспечивает хорошую адгезию стекол к поверхности корпуса зеркала, а проведение процессов при температурах выше 660°С для стекла КФ-11593 и выше 570°С для стекла ТФ-1608-Б2 ухудшают формируемые конструкционные покрытия из-за деформирования и частичного стекания стекла по периферии корпуса за счет понижения вязкости стекла. Время изотермических выдержек при температурах формирования конструкционных покрытий составляет 30-40 минут. При меньшем времени выдержки конструкционное покрытие с высокой адгезией не формируется на всей поверхности корпуса. Увеличение времени термообработки нецелесообразно. Скорость нагрева заготовок зеркала при формировании покрытий не должна превышать 220°С/час для покрытия из стекла КФ-11593 и 110°С/час для покрытия из стекла ТФ-1608-Б, т.к. повышение скорости нагрева приводит в ряде случаев к разрушению стекол за счет возникающих термических напряжений. Нагрев заготовок со скоростью менее 200°С/час для покрытия из стекла КФ-11593 и 100°С/час для покрытия из стекла ТФ-1608-Б нецелесообразно, т.к. это увеличивает время процесса формирования конструкционных покрытий. Охлаждение заготовки зеркала с конструкционными покрытиями осуществляют с изотермическими выдержками через каждые 100°С в течение 30-40 минут. Уменьшение времени выдержек приводит в ряде случаев к разрушению покрытий, вероятно из-за термических напряжений, а увеличение времени выдержек увеличивает время процесса формирования конструкционных покрытий.

Важно, чтобы временной промежуток между окончанием процесса формирования конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 и началом процесса формирования конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 не превышал 3 часов. При большем временном промежутке в ряде случаев наблюдается разрушение конструкционного покрытия из стекла КФ-11593, что связано с нескомпенсированными термическими напряжениями в заготовке зеркала.

Предварительную механическую обработку конструкционных покрытий осуществляют до толщины 0,9-1,1 мм последовательно уменьшая толщину каждого покрытия на 0,3-0,5 мм. Толщина стеклянных конструкционных покрытий менее 0,9 мм недостаточна для проведения окончательной оптической обработки покрытий, а толщина более 1,1 мм является излишней. Кроме того, большие толщины конструкционных покрытий сохраняют в себе бóльшие остаточные напряжения, что может приводить к их разрушению при эксплуатации зеркала.

Проведение трёхкратной циклической термообработки при температуре минус (80±5)°С – (120±5)°С, с изотермическими выдержками в течение 30-40 минут, как показали эксперименты, надежно обеспечивает предотвращение разрушения зеркала при последующей эксплуатации в температурном диапазоне от минус 50°С до плюс 90°С, а также при выдержке зеркала при температуре 250°С.

Для ряда применений предпочтительно, чтобы отражающие покрытия на разных сторонах зеркала имели различный состав. Например, одна из сторон зеркала имеет металлическое отражающее покрытие, например, серебро, обеспечивающее коэффициент отражения не менее 98% в интервале длин волн от 0,5 до 10 мкм, а другая сторона зеркала имеет многослойное диэлектрическое покрытие, например, из чередующихся слоев оксида тантала и оксида кремния, обеспечивающее коэффициент отражения не менее 99,95% при длине волны 1,06 мкм. Поворот зеркала на 180° обеспечивает быстрое изменение функциональных свойств рабочей стороны зеркала.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Корпус зеркала из бериллиевого сплава, поверхности которого предварительно обезжирены растворителями, термообрабатывают на воздухе при температуре 640-660°С в течение 10-40 минут, осуществляя нагрев корпуса зеркала со скоростью не более 300°С/час, с последующим охлаждением со скоростью охлаждения не более 100°С/час. После охлаждения корпуса, на одной из его поверхностей размещают пластину стекла КФ-11593 толщиной 2,5-3,0 мм, имеющую ту же форму, что и поверхность корпуса, например, плоскую. Корпус зеркала с установленным стеклом помещают в печь и нагревают со скоростью 200-220°С/час до температуры 640-660°С на воздухе и выдерживают при этой температуре 30-40 минут. Затем проводят охлаждение заготовки зеркала, в ходе которого осуществляют через каждые 100°С изотермические выдержки в течение 30-40 минут (повторяющиеся до 200°С). После охлаждения заготовку зеркала переворачивают и на другой поверхности корпуса размещают пластину стекла ТФ-1608-Б2 толщиной 2,5-3,0 мм, имеющую ту же форму, что и поверхность корпуса, например, плоскую. В течение времени, не превышающем 3 часов после окончания процесса формирования конструкционного покрытия из стекла КФ-11593, помещенную в печь заготовку зеркала нагревают со скоростью нагрева 100-110°С/час до температуры 550-570°С. После изотермической выдержки при этой температуре в течение 30-40 минут проводят охлаждение заготовки, в ходе которого осуществляют через каждые 100°С изотермические выдержки в течение 30-40 минут (повторяющиеся до 200°С).

Полученную заготовку подвергают предварительной механической обработке конструкционных покрытий. Механическую обработку осуществляют до толщины 0,9-1,1 мм последовательно уменьшая толщину каждого покрытия на 0,3-0,5 мм за каждый этап обработки, т.е. неоднократно и последовательно обрабатывают каждую из оптических поверхностей зеркала.

По окончании предварительной механической обработки проводят трёхкратную циклическую термообработку при температуре минус (80±5)°С – (120±5)°С, с изотермическими выдержками в течение 30-40 минут.

Затем проводят двустороннюю механическую обработку нанесенных конструкционных покрытий до оптического качества и нанесение отражающих покрытий на обе стороны зеркала.

В зависимости от назначения зеркала, отражающие покрытия на разных сторонах зеркала могут иметь одинаковый или различный состав.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.

Сплавы бериллия имеют большую удельную жесткость, что делает их перспективными для изготовления корпусов зеркал. Однако из-за особенностей производства изделий из бериллиевых сплавов, поверхность материала не может быть обработана до оптического качества. Это требует нанесения на поверхность бериллия конструкционных покрытий, например, стеклянных, с дальнейшей обработкой до оптического качества. При изготовлении двухстороннего зеркала с корпусом из бериллия, формирование конструкционных покрытий необходимо на двух, противоположных поверхностях корпуса зеркала. В этом случае можно использовать два типа стекол, сопряженных с бериллиевым сплавом по температурному коэффициенту линейного расширения, но обладающих различной температурой перехода в вязко-пластичное состояние. К таким стеклам относятся, в частности, стекла марок КФ-11593 и ТФ-1608-Б2. Поэтому способ изготовления двухстороннего зеркала осуществляют формированием конструкционного покрытия из более тугоплавкого стекла на одной из поверхностей корпуса зеркала и последующего формирования конструкционного покрытия из менее тугоплавкого стекла на противоположной поверхности корпуса.

При изготовлении зеркала очень важным является обеспечение высокой адгезии между стеклом и корпусом зеркала и устранение, как в ходе процесса изготовления, так и после его окончания, внутренних напряжений в сформированных конструкционных покрытиях, приводящих к разрушению конструкционных покрытий. При реализации процесса изготовления важным является и его трудоемкость, определяемая временем цикла изготовления зеркала. Уменьшение цикла изготовления, конечно, при обеспечении необходимого качества зеркал, является одной из важных задач оптического производства. Предлагаемое техническое решение основано на научно обоснованном экспериментальном опыте, выбор условий реализации которого не может быть осуществлен обычным методом проб и ошибок.

Предлагаемый способ обеспечивает ускоренный цикл изготовления двухстороннего зеркала с минимальными внутренними напряжениями, что подтверждается устойчивой работы зеркал в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 90°С. Одновременно предлагаемый способ двухстороннего нанесения конструкционных покрытий повышает адгезионную прочность в месте спая «металл-конструкционные покрытия», что подтверждается полной работоспособностью зеркал после их и выдержки в диапазоне температур от минус 100°С до 250°С.

Следующие примеры поясняют предлагаемое техническое решение.

Пример 1. Корпус зеркала в виде пластины диаметром 170 мм и толщиной 15 мм после обезжиривания поверхности органическими растворителями помещают в печь. Корпус нагревают в печи со скоростью нагрева 250°С/час до температуры 660°С и выдерживают при этой температуре 20 минут. Корпус охлаждают со скоростью охлаждения 70°С/час. Затем на одну из поверхностей корпуса укладывают пластину стекла КФ-11593 диаметром 170 мм и толщиной 2 мм. Корпус со стеклом помешают в печь и нагревают со скоростью нагрева 200°С/час до температуры 660°С и выдерживают при этой температуре 30 минут. Охлаждение осуществляют с изотермическими выдержками в течение 30 минут при температурах 560°С, 460°С, 360°С, 260°С. После охлаждения заготовки зеркала на другую поверхность корпуса зеркала укладывают пластину стекла ТФ-1608-Б2 диаметром 170 мм и толщиной 2 мм. Заготовку через 2 часа после окончания процесса формирования конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 помешают в печь и нагревают со скоростью нагрева 100°С/час до температуры 560°С и выдерживают при этой температуре 40 минут. Охлаждение осуществляют с изотермическими выдержками в течение 30 минут при температурах 460°С, 360°С, 260°С. Затем осуществляют предварительную механическую обработку конструкционных покрытий шлифованием. При этом последовательно подвергают шлифованию каждое конструкционное покрытие, причем на каждой операции шлифования сошлифовывают 0,3-0,4 мм стекла. Шлифование заканчивают при достижении общей толщины зеркала 17±0,2 мм. После шлифования осуществляют оптическую обработку стеклянных конструкционных покрытий традиционными методами последовательной обработки свободным абразивом различных размером частиц. На сформированные оптические поверхности зеркала наносят отражающие покрытия из алюминия с защитным слоем оксид кремния/оксид алюминия. Зеркало характеризуется следующими оптическими параметрами: среднеквадратичное отклонение оптической поверхности от плоскости для обеих сторон зеркала – не более 35 нм, коэффициент отражения в диапазоне частот 0,6-1,2 мкм – 0,983. Общее время изготовления заготовки зеркала (до оптической обработки конструкционных покрытий) составляет 52 часа, что более чем в три раза меньше, чем по известному способу.

Изготовленное зеркало выдержано в течение 30 минут при температуре минус 100°С и 250°С. После такого термического воздействия зеркало сохранило свою целостность и оптические характеристики.

Пример 2. Изготовление зеркала осуществляют аналогично примеру 1. Отличия состоят в следующем. Корпус зеркала имеет размеры: диаметр 70 мм, толщина 7 мм. При реализации способа используют стекла толщиной 3 мм. При формировании конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 корпус со стеклом нагревают со скоростью нагрева 220°С/час до температуры 640°С и выдерживают при этой температуре 40 минут. Охлаждение осуществляют с изотермическими выдержками в течение 40 минут при температурах 540°С, 440°С, 340°С, 240°С. Процесс формирования конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 проводят через 3 часа после окончания процесса формирования конструкционного покрытия из стекла КФ-11593. При формировании конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 нагрев осуществляют со скоростью 110°С/час до температуры 570°С и выдерживают при этой температуре 30 минут. Охлаждение осуществляют с изотермическими выдержками в течение 30 минут при температурах 470°С, 370°С, 270°С. На сформированные оптические поверхности зеркала наносят отражающие покрытия из серебра с защитным слоем оксид кремния/оксид алюминия. Зеркало характеризуется следующими оптическими параметрами: среднеквадратичное отклонение оптической поверхности от плоскости для обеих сторон зеркала - 30 нм, коэффициент отражения в диапазоне частот 0,6-1,2 мкм – 0,99. Общее время изготовления заготовки зеркала составляет 50 часов.

Пример 3. Изготовление зеркала осуществляют аналогично примеру 2. Отличия состоят в следующем. На одну из сформированных оптических поверхностей зеркала наносят отражающие покрытия из серебра с защитным слоем оксид кремния/оксид алюминия, а на конструкционное покрытие противоположной стороны – многослойное диэлектрическое покрытие 20-ти чередующихся слоев оксида тантала и оксида кремния. Зеркало характеризуется следующими оптическими параметрами: среднеквадратичное отклонение оптической поверхности от плоскости обеих оптических поверхностей – 30 нм, коэффициент отражения покрытия из серебра при длине волны излучения 0,6-1,2 мкм – 0,99, коэффициент отражения многослойного покрытия – 0,995 при длине волны излучения 1,06 мкм.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает изготовление двухстороннего зеркала с корпусом из бериллиевого сплава с высоким качеством оптических поверхностей, причем процесс изготовления осуществляется с меньшей трудоемкостью – существенно сокращается время изготовления. Изготавливаемые по предлагаемому способу зеркала сохраняют свои свойства после температурного воздействия в диапазоне минус 100-250°С.

Способ изготовления двухстороннего зеркала с корпусом из бериллиевого сплава со стеклянными конструкционными покрытиями оптических поверхностей, в котором предварительно термообрабатывают корпус зеркала на воздухе при температуре 640-660°С в течение 10-40 минут, формируют конструкционное покрытие из стекла КФ-11593 стеклом толщиной 2,0-3,0 мм при температуре 640-660°С в течение 30-40 минут, формируют конструкционное покрытие из стекла ТФ-1608-Б2 стеклом толщиной 2,0-3,0 мм при температуре 550-570°С в течение 30-40 минут. Временной промежуток между окончанием процесса формирования конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 и началом процесса формирования конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 не превышает 3 часов. Осуществляют предварительную механическую обработку покрытий до толщины 0,9-1,1 мм, проводят трёхкратную циклическую термообработку при температуре минус (80±5)°С - (120±5)°С, с изотермическими выдержками в течение 30-40 минут, затем проводят двустороннюю механическую обработку конструкционных покрытий до оптического качества и нанесение отражающих покрытий на обе стороны зеркала. Технический результат – уменьшение трудоемкости изготовления двухсторонних зеркал за счет сокращения продолжительности цикла изготовления зеркала и расширение температурного диапазона стабильности зеркала. 1 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Способ изготовления двухстороннего зеркала с корпусом из бериллиевого сплава со стеклянными конструкционными покрытиями оптических поверхностей, включающий формирование конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 на одной из сторон корпуса зеркала, формирование конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 на противоположенной стороне корпуса зеркала, термообработку полученной заготовки зеркала, механическую обработку поверхностей конструкционных покрытий до оптического качества и нанесение на них отражающих покрытий, отличающийся тем, что предварительно корпус зеркала термообрабатывают на воздухе при температуре 640-660°С в течение 10-40 минут, осуществляя нагрев корпуса зеркала со скоростью не более 300°С/час, с последующим охлаждением со скоростью охлаждения не более 100°С/час, формирование конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 на корпусе зеркала осуществляют стеклом толщиной 2,0-3,0 мм при температуре 640-660°С в течение 30-40 минут, причем нагрев осуществляют со скоростью нагрева 200-220°С/час, а охлаждение до температуры 200°С проводят с 30-40 минутными изотермическими выдержками через каждые 100°С с последующим охлаждением без изотермических выдержек, формирование конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 осуществляют стеклом толщиной 2,0-3,0 мм при температуре 550-570°С в течение 30-40 минут, причем нагрев осуществляют со скоростью нагрева 100-110°С/час, а охлаждение до температуры 200°С проводят с 30-40 минутными изотермическими выдержками через каждые 100°С с последующим охлаждением без изотермических выдержек, при этом временной промежуток между окончанием процесса формирования конструкционного покрытия из стекла КФ-11593 и началом процесса формирования конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 не превышает 3 часов, предварительную механическую обработку конструкционных покрытий осуществляют до толщины 0,9-1,1 мм, последовательно уменьшая толщину каждого покрытия на 0,3-0,5 мм, после чего проводят трёхкратную циклическую термообработку при температуре минус (80±5)°С – (120±5)°С, с изотермическими выдержками в течение 30-40 минут, затем проводят двустороннюю механическую обработку нанесенных конструкционных покрытий до оптического качества и нанесение отражающих покрытий на обе стороны зеркала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отражающие покрытия на разных сторонах зеркала имеют различный состав.