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“天眼”中的铝合金材料

来源:中国有色金属报 时间:2020-11-16 13:40 浏览次数:9303
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摘要:我国“天眼”的球面射电板是用铝合金​板制的,从1994年提出构想到2016年9月建成历时22年,是具有中国自主知识产权的伟大工程,世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

  目前世界上有三台“观天巨眼”,第一是500米口径球面射电望远镜(FAST),位于我国贵州省黔南州平塘县大窝凼;第二是美国的阿雷西博350米望远镜,建于1992年,23年来一直稳坐世界第一宝座,我国“天眼”的综合性能比它约强10倍;第三是德国波恩的100米口径望远镜,我国“天眼”的灵敏度比它提高了约10倍。

  我国“天眼”的球面射电板是用铝合金板制的,德国及美国球面射电望远镜用的什么材料笔者还没有看到相关报道,日本国立天文台野边山宇宙电波所ALMA望远镜用的是5052铝合金板材,支架结构件是用6061铝合金挤压材制造,可在-20℃~20℃的环境中长期工作,建设地点标高5000米,2011年9月末建成,2012年初投入运用,共有10台,球面直径45米。

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  中国“天眼”的建设

  喀斯特洼坑的寻觅

  1993年国际无线电联合大会上,包括中国在内的10个国家的天文学家提出建设新一代射电“大望远镜”的倡议。1995年底,北京天文台联合国内20余所大学和研究所,成立了射电“大望远镜”中国推进委员会,提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面,即“西雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。

  此后,中国科学家进一步推进喀斯特概念,提出独立研制一台新型的喀斯特单元,即500米口径球面射电望远镜。为了给新一代射电“大望远镜”找一个合适的“家”,科学家通过卫星遥感把贵州喀斯特山区翻了个底朝天。当时天文台委托两家研究所进行搜寻,从300个候选洼坑中遴选。最终位于黔南州平塘县的大窝凼两次都获最高分。贵州天然喀斯特洼坑提供的条件,始终都是中国大射电望远镜最独到、成为世界最大最强的基础。

  历时22年建成世界最大“天眼”

  中国“天眼”——500米口径球面射电望远镜(FAST,Five-hundred meter Aperture Spherical Radio Telescope)从1994年提出构想到2016年9月建成历时22年,是具有中国自主知识产权的伟大工程,世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。借助这只巨大的“天眼”,科研人员可以窥探星际之间互动的信息、观测暗物质、测定黑洞质量,甚至搜寻可能存在的星外文明。众多独门绝技让其成为世界射电望远镜中的佼佼者,这也将为世界天文学的新发现提供机遇。

  作为国家重大科研基础设施,“天眼”工程由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、按收机与终端及观测基地等几大部分构成。主动反射面由上万根钢丝索和4450个反射单元组成的球冠型索膜结构,其外形像一口诺大无比的“锅”,接收面积相当于30个标准足球场。

  利用天然的喀斯特洼坑作为台址,洼坑内铺以数千块单元组成的冠状主动反射面,采用轻型索拖动机构和并联机器人实现接收机高精度定位,这是中国“天眼”的三大自主创新。从2016年9月25日起,“天眼”方圆5千米已成为“静默区”。这个庞然大物开始睁开“慧眼”,专注地捕捉来自宇宙深处的信号。“天眼”工程除了宏伟、状观外,最震撼人心的是精准。经过3年的测试,基墩具有极高的稳定性,误差不超过1毫米。“天眼”能够接收到137亿光年以外的电磁信号,观测范围可达宇宙边缘。

  不过,在此需指出的是,FAST的地球“最大天眼”称号可能只能保持七八年就得让位给南非的阵列射电望远镜(SKA)。SKA目前正在南非台地高原地区和西澳大利亚州默奇森郡沙漠区进行建设,其接收面积达1平方千米,建成后将是世界上最大的综合孔径射电望远镜,也是国际天文界建造的有史以来最大的科学工程。SKA由多国参与修建,在目前SKA公开发布的11个工程中,中国参与了其中6个研发工作。

  2020年1月11日被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜顺利通过国家验收,正式开放运行。作为天下最大最灵敏的射电望远镜,“天眼’工程圆满收官,意味着中国大科技基础设施进一步完善,人类探索未知宇宙有了更加深邃视角。“天眼”的成功,体现了中国智慧、中国技术、中国力量、更彰显中国担当。“天眼”的背后,是中国人民在长期奋斗中培育、继承、发展起来的伟大创造精神、伟大梦想精神、伟大团结精神。正是这样的民族精神成就了“天眼”。

  中国“天眼”造价12亿元,经过三年零三个多月的调试,于2020年1月11日正式运行。调试期间发现了102颗脉冲星,超过同期欧美多个脉冲星搜索团队发现数量的总和。

  为了配合“中国天眼”的建设,其所在地区约7000名居民搬迁到约10千米外的另一座小城市,以确保望远境的性能与平静运行。

  日本野边山用5052及6061铝合金打造口径45米望远镜

  日本国立天文台野边山宇宙电波观测所共有10台球面望远镜(天线),直径45米、高50米,1971年建成。球面望远镜位于50米高的架上,球面是用5052铝合金板材加工的,支架用6061铝合金挤压型材打造,用电火花工艺加工。

  加工天线表面极具挑战性,因为其表面越光洁才能接收到越短的电波,因此必须用有一定强度性能的、韧性高的铝合金加工,其表面粗糙度应≤25纳米,同时在-20℃~+20℃的环境中仍保持着这个精度。直径12米的球面天线是用205块1米×1米的铝板铺设的,原材料厚度30毫米,以纳米为单位进行史无前例的一层一层地切削加工,每一块都有极其精准的抛物面,为了组成大的抛物面,用了37种不同形状的铝板坯料。

  为了制造直径45米最大高度50米的天线,遇到的最大问题是如何减轻其自身质量,因为它的抛物面积1590平方米,质量700吨。为了轻量化,天线表层(镜面体)采用夹层的碳纤维增强塑料蜂窝铝板。为了避免骨架因太阳光直射而变形,在天线背面装有隔热铝板。经过这种精心设计,使这种毫米波望远镜在世界该类装备中如鹤立鸡群,居世界顶尖水平,镜面精度保持在170微米左右,铝合金在这些超级天线中发挥了无可替代的作用。

  5052铝合金是制造球面射电望远镜最佳材料

  口径小于3米的球面射电望远镜的抛物面可用整块的铝合金冲制,因为当今世界上辊面宽度最大的冷轧机为4350毫米,口径再大的球面射电望远镜就得用一块块抛物面铝合金板拼接,日本国立天文台野边山宇宙所45米口径的望远镜、美国波多黎各天文台望远镜、德国波恩天文台望远镜、巴西天文台望远镜的抛物面都是用形状特异的5052铝合金板拼成,因为冷轧5052铝合金板是制造这种抛物面板的最佳材料。

  为什么抛物面都用5052铝合金打造?因为它具有一系列优秀性能。它是美国铝业公司(Alcoa)于上世纪20年代后期推向市场的,其标定成分(质量%):Si0.25,Fe0.40,Cu0.10,Mn0.10,Mg2.2~2.8,Cr0.15~0.35,Zn 0.10,其它杂质单个0.05、合计0.15,其余为铝。由Al-Mg系相图可知,Mg在铝中的溶解度仅次于Zn,居第二位,在450℃的极限溶解度为17.4%,室温时只有1%,在理论上Al-Mg合金应该有相当大的时效硬化效应,但因受β相(Mg2Al3)的沿晶沉淀倾向和弥散度的限制,一般没有价值和必要利用这种效应,全可以在退火和冷作硬化状态使用。

  AI﹣Mg合金过饱和固溶体α′的沉淀过程:

  α′→ GP区 → β′→ β (Mg2Al3)

  Mg原子直径(0.320纳米)远比Al(0.286纳米)的大,淬火后GP区虽在几秒内就能形成,但尺寸小(1.0纳米~1.5纳米),周围有密集的空位云,与母相间几乎不发生共格应变,故Mg含量≤7%的没有明显的时效硬化效应。

  5052合金是一种中等偏低强度合金。AI-Mg合金加Mn或Cr主要为了改善抗蚀性和可焊性,但固溶部分还有一定的强化作用,Cu、Zn、Fe、Si是杂质,应严加控制。特点是:密度2.68g/cm3,比纯铝1050的2.705g/cm3稍低一些;有优秀的抗腐蚀性,在海洋气氛与海水中有高的抗蚀性,表面可长期保持高的表面光洁度,几乎“终身”不需要维护;可焊性良好,焊缝的力学性能几乎与基体材料的相等;特别好的可抛光性能,表面处理后亮晶晶的;塑性与成形性能优秀,可加工成各种各样的零部件,它的抗拉强度虽不高,但还是比1050工业纯铝的高不少,比3003合金的高一些,还有高的疲劳强度,不管是在实验室还是在实际使用中,都未出现应力腐蚀开裂现象。

  由于5052合金具有上述的诸多优点,成为工业界一致认同的制造射电望远镜球面抛物面板块的不可多得的好材料。所以国外射电望远镜的“大锅”都是用一块块5052合金抛物线板块拼成的。

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  5052合金板的力学性能见表,它的物理性能如下:密度2.68g/cm3,熔化607℃~649℃,20℃时的电导率35%IACS,25℃时的热导率138W/(m·℃),20℃时的比热900J/(kg· ℃),(20℃~100℃)的线胀系数23.8×10-6/℃。在2.67%AlCl3溶液中对干汞电极(SCE)的自然电位为-936.2mV,孔食电位为-722.7mV,抗蚀性及抗应力腐蚀开裂性能均被评为A级。

  5052合金只在退火(300℃~360℃)或冷加工硬化状态下使用,它的优秀抗蚀性只在β相沿晶内和晶界均匀分布的情况下,才能显示出来,同时有极高的稳定性,无论是退火或冷加工状态,在室温或低温或敏化处理温度(67℃~177℃)长时间加热,均不形成沿晶β相网膜,对应力腐蚀开裂(SCC)和剥落腐蚀(EFC)也不敏感。但Mg含量>3.5%的合金则不是这样。

  “天眼”中的铝材

  中国“天眼”所用的铝合金板材与挤压铝材都是中铝西南铝业(集团)有限责任公司(以下简称“西南铝”)提供的,它的4450块反射面单元是用西南铝的板材加工的。除了第一“天眼”正式启用外,中国还有内蒙古自治区锡林郭勒盟正镶白旗草原深处的专门“看”太阳的“草原天眼”,占地10平方千米,排列着100面白色的抛物面天线阵列,这就是被誉为“草原天眼”的明安图射电频谱日像仪群,英文缩写名为MUSER。MUSER项目2008年开工建设,2013年开始进行一系列太阳射电观测,还将投资1.3亿元,进行二期建设,占地215亩,预计2023年建成,2025年投入使用。

  2015年1月西南铝就组建起以“销售十技术”“技术+销售”的开发团队,前瞻性地做好FAST市场开发,及时加强与射电望远镜面设计方——中国电子科技集团公司第五十四研究所的沟通协调,第一时间了解与掌握了工程建设对铝材的需求情况。7月初,西南铝与FAST反射面板生产厂正式签订了800吨反射面板和铝板结构件的全部订单。为尽快生产出这批需要经过阳极氧化着色处理的、对尺寸偏差、表面质量、冲孔性能等有特别要求的板材,西南铝充分整合内部资源,发挥技术设备及人才优势,克服工期紧、任务重等诸多困难,全面做好毛料组织、质量控制、进度跟综各项工作,确保了产品质量与工期,在探索宇宙文明的“铝途”中,西南铝迈出了坚实的第一步。从2015年7月初签订合同到8月底交付最后一批带卷,仅用了短短一个多月时间。

  FAST工程是中国近期九大科技基础设施之一,能参与这项国家重大工程建设,对中铝与西南铝来说,其意义不仅仅是对材料品质的高度认可和效益体现,更大的是中铝公司履行国家重大科技专项工程材料保障和西南铝“国家利益高于一切”核心价值的综合体现,彰显的是企业社会责任。

  这台全球第一“天眼"的反射面面积相当于近30个足球场面积,由4450块反射面单元拼成,制造企业在收到西南铝发来的铝合金带卷后,将其裁切成坯料,然后进行机械加工,加工成所需的形状与尺寸,从2015年8月2日安装第一块反射面开始到2016年7月3日安装完成,共用了11个月时间。

  中国历时5年建成了FAST,取代了美国有50年历史的阿雷西博电离层天文台的望远镜,成为全球最大的“天眼”,2016年落成时,来自世界各地的数百位科学家出席了启动仪式。


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