激光快速成型TC4射線衰減系數(shù)測量-開題報告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目 激光快速成型TC4射線 衰減系數(shù)測量專 業(yè) 名 稱 測控技術(shù)與儀器班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日1、 選題的依據(jù)及意義：x射線照相檢測技術(shù)具有缺陷顯示直觀，定性可靠性強(qiáng)，結(jié)果可長期保存并對試件無污染等優(yōu)點；因此，在現(xiàn)代工業(yè)無損檢測中應(yīng)用非常廣泛并占有很重要的地位1。衰減系數(shù)表示射線在物質(zhì)中穿過單位距離時被吸收的幾率，常以表示。當(dāng)x射線透過材料時會與其發(fā)生相互作用，不同厚度，不同材質(zhì)的材料引起射線的強(qiáng)度基于其反映在底片上的襯度差異就可以實現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷的判斷和檢測。當(dāng)x射線在穿透物質(zhì)并與物質(zhì)相互作用過程中會被吸收從而產(chǎn)生衰減2。實際工業(yè)檢測應(yīng)用的射線總是會產(chǎn)生衰減，從而對射線照相影像質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響，主要表現(xiàn)在造成底片的灰霧度增大，圖像模糊，降低底片的清晰度。對衰減系數(shù)是x射線檢測中影響影像質(zhì)量所需要控制的重要參數(shù)與其大小，與射線能量、穿透物質(zhì)的種類、穿透厚度等諸多因素有關(guān)。針對激光快速成型TC4鈦合金這種非常優(yōu)秀的航空合金材料H面剖，本研究通過實驗來測定它們的x射線衰減系數(shù)，通過衰減系數(shù)來揭示影響x射線成像質(zhì)量，在實際檢測過程中采取必要措施，將照相底片質(zhì)量產(chǎn)生的不利影響盡可能降低到最小程度。2、 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）： 激光快速成型技術(shù)始于二十世紀(jì)七十年代末期關(guān)于激光多層熔覆的研究。1979年，美國聯(lián)合技術(shù)公司（United Technologies Corporation)的D.B.Snow 等人在海軍部相關(guān)項目的資助下，進(jìn)行采用激光多層熔覆的方法制造徑向?qū)ΨQ鎳基高溫合金零件的研究，并取得了相關(guān)專利，但由于當(dāng)時計算機(jī)技術(shù)，特別是微型計算機(jī)技術(shù)的水平不高，對于形狀復(fù)雜的零件，采用該技術(shù)進(jìn)行制造仍然存在較大難度（主要是零件的3D技算機(jī)建模及分層切片等圖形處理技術(shù)在當(dāng)時還較為困難),因此該技術(shù)的研究主要集中于材料和熔覆工藝方面，發(fā)展較為困難。從二十世紀(jì)九十年代開始，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及RP技術(shù)的逐漸成熟，激光快速成型技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家逐漸成為材料加工領(lǐng)域研究的熱點，并迅速進(jìn)入了高速發(fā)展階段。近年來，美國Sandia國家實驗室和Los Alomos 國家實驗室針對鎳基高溫合金、不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鎢等金屬材料進(jìn)行了大量的激光快速成型研究，所制造的金屬零件不僅形狀復(fù)雜，而且力學(xué)性能接近甚至超過傳統(tǒng)鍛造技術(shù)制造的零件。鈦合金中應(yīng)用最為廣泛的是Ti-6Al-4V(TC4)合金。TC4是于1954年研制成功的一種新的兩相鈦合金，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為國際上應(yīng)用最為廣泛的鈦合金，由于長時間的深入研究，其加工技術(shù)已經(jīng)較為成熟35。近年來，隨著對該合金的顯微組織、熱處理、加載方式及表面狀態(tài)等對疲勞性能的影響規(guī)律及作用機(jī)理研究的進(jìn)一步深入，使TC4合金再度成為鈦合金應(yīng)用研發(fā)的增長點。TC4合金是一種中等強(qiáng)度的兩相鈦合金，具有優(yōu)異的綜合性能，易于焊接、鍛造和切削加工，通過熱處理可使抗拉強(qiáng)度高達(dá)1173Mpa，并在482還有很好的熱穩(wěn)定性，合金長時間工作溫度可達(dá)400度，在航空航天工業(yè)中獲得了最廣泛的應(yīng)用。激光快速成型鈦合金射線檢測衰減系數(shù)在物理實驗研究方面，國際上有許多人在研究材料的衰減系數(shù)，如：1957年，美國標(biāo)準(zhǔn)計量局（NBS）的Gladys White Grodstein 發(fā)表了10keV到100MeV能區(qū)的X射線衰減系數(shù)，1981年Henke發(fā)表了低能X射線相互作用，2000年澳大利亞墨爾本大學(xué)的Chantler等人發(fā)表了材料在0.1keV到10keV能區(qū)的衰減系數(shù)等等。3、 研究內(nèi)容及實驗方案：3.1 研究內(nèi)容：掌握激光快速成型技術(shù)的基本原理，平板探測器原理及應(yīng)用，測量激光快速成型TC4射線衰減系數(shù)以及鈦合金應(yīng)用。3.2 實驗方案：3.2.1 TC4合金激光快速成型基本原理 英國伯明翰大學(xué)材料研究中心的吳鑫華團(tuán)隊實驗發(fā)現(xiàn)：激光快速成型TC4鈦合金零件過程的影響因素有激光能量、掃描速度、送粉率等。激光成型TC4合金具有網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)。鑄造鈦合金不能通過熱處理細(xì)化晶粒, 破壞原始晶界, 但可以改變晶內(nèi)組織, 從而影響性能。其常規(guī)熱處理中的退火是為了消除應(yīng)力或再結(jié)晶,穩(wěn)定組織, 保證一定的力學(xué)性能, 而熱等靜壓處理(HIP)廣泛用于鈦合金鑄件的處理, 尤其是航空鈦合金精密鑄件的處理, 用以改善鑄件內(nèi)部的冶金缺陷, 提高與穩(wěn)定鑄件力學(xué)性能。激光快速成型TC4 鈦合金的力學(xué)性能和常規(guī)制造方法,以及國外激光快速成型TC4 鈦合金的力學(xué)性能。一般來說, 激光快速成形TC4 鈦合金的金相組織與鑄造組織相似, 但其晶粒要細(xì)小, 特別是相晶粒細(xì)小。因此其力學(xué)性能要高于鑄造鈦合金的力學(xué)性能。本文給出的力學(xué)性能確實高于鑄造組織的力學(xué)性能, 達(dá)到了鍛造組織的力學(xué)性能, 并且高于國外文獻(xiàn)給出的激光快速成型TC4 鈦合金的力學(xué)性能6 。實際上在激光快速成型鈦合金時, 除了保證成型工藝參數(shù)外, 成型條件的一個重要作用是防止成型過程中的氧化和控制成型件中的氧含量810。這是因為在熔化過程中鈦合金將發(fā)生劇烈的氧化(甚至可能發(fā)生燃燒)現(xiàn)象, 而且如果鈦合金中的氧含量增加, 將使塑性指標(biāo)急劇下降, 當(dāng)氧含量超過0 .4 %后, 鈦合金將失去工程應(yīng)用價值。因此,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工程用TC4 鈦合金的氧含量在0 .08 %0 .4 % 范圍內(nèi)。本實驗使用的鈦合金粉末的含氧量0 .20 %，為了進(jìn)一步說明成型條件和后處理工藝對力學(xué)性能的影響, 對在不同成型條件和后處理工藝下的成型試件進(jìn)行了氧含量測定可以了解, 開放成型條件下成型試件的氧含量已經(jīng)達(dá)到1 .00 %, 經(jīng)真空退火后其氧含量沒有降低, 這時其強(qiáng)度和塑性指標(biāo)都很低;而經(jīng)熱等靜壓處理后, 氧含量明顯下降, 其強(qiáng)度和塑性指標(biāo)有所提高。在密閉成型條件下, 其氧含量(為0 .15 %)與原始粉末的氧含量(為0 .18 %)相比沒有增加, 強(qiáng)度和塑性指標(biāo)超過了鑄造組織的指標(biāo), 達(dá)到了鍛造組織的指標(biāo)。圖1 激光快速成型系統(tǒng)圖2 激光快速成形系統(tǒng)過程示意圖3.3.2 平板探測器原理平板探測器可以概括的說，它是一種采用半導(dǎo)體技術(shù)，將X線能量直接轉(zhuǎn)換為電信號，產(chǎn)生X線圖像的檢測器79。平板探測器可以取代現(xiàn)在的所有類型的X線檢測器，如電視影像增強(qiáng)系統(tǒng)。它最突出的特點就是輸出的是高質(zhì)量的數(shù)字化影像。在直接轉(zhuǎn)換類型中，其制傳遞函數(shù)（MTF）特點較圖像屏幕系統(tǒng)好，敏感性則可與電視增強(qiáng)系統(tǒng)相比。平板探測器的發(fā)展和進(jìn)一步完善將可逐步取代傳統(tǒng)的X線探測裝置。平板探測器的類型大致可分為CCD型和非晶硅型、非晶硒型。CCD型平板探測器的主要原理是光信號由探測器內(nèi)的CCD接受，讀出并形成數(shù)字圖像。非晶硅類型的平板探測器，它的核心是由非晶硅和薄膜晶體管構(gòu)成的矩陣板，矩陣板的每一個單元包含一個存儲電容和非晶硅的場效應(yīng)管。整個數(shù)字矩陣封裝在一個像“片夾”的盒里，它主要由閃爍層或硒層、矩陣板和玻璃襯底、讀出線路等組成。其好的密度及空間分辨力代表了目前發(fā)展的主要方向。碘化銫（cesium iodide,CsI）具有高X線接收和可視光子產(chǎn)量。因為銫具有高原子序數(shù)，它是X線接收器的最佳選擇材料，所以這種金屬對于輸入的X線非常適用。產(chǎn)生每個光子需要2025電子伏。攙入銫CsI激發(fā)出550nm的光，正是非晶硅光譜靈敏度的峰值。以硒作為光導(dǎo)材料，有兩個原因：光敏電阻自身具有的高分辨力特性；用更厚的光導(dǎo)吸收層,可獲得更高的X線靈敏度.硒可以直接將X線能量轉(zhuǎn)換為電信號,硒光電導(dǎo)層被X線照射后產(chǎn)生的電子空穴對在6KV偏移電壓下被電場分離，被每個像素單元收集并轉(zhuǎn)換成X線數(shù)字影像的數(shù)據(jù)。矩陣板包括薄膜三極管（thin-film transistor,TFT）儲能電容和集電器，其上沉積著無定型硅層，厚約500m。諸多像素（139139m）被安排為二維矩陣，按行設(shè)門控線。TFT像素的大小直接決定圖像的空間分辨力，每一個像素具有電荷接收電極，信號存儲電容及信號傳輸器，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)與掃描電路連接。最后由讀出電路讀取數(shù)字信號并還原成影像1011。非晶硅對于X線接收器來說是最理想的材料，因為非晶硅對放射線的傷害是免疫的。以上是平板探測器的主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)，平板探測器和X線球管組成了直接數(shù)字成像的主要部分。另一部分則是操作、質(zhì)量控制和后處理部分。大部分的工作都是由計算機(jī)承擔(dān)。主處理器實時的功能包括：偏移量的校正和增益；黑電平箝定；污點插補(bǔ)；幀積累和均化。而對于圖像的后處理，可以利用輔助處理器完成，包括X線曝光控制、圖像數(shù)據(jù)圖形窗口化、掃描轉(zhuǎn)化為常規(guī)模式、查找目錄、降噪可變遞歸濾波等。最佳的性能是要求噪聲低、動態(tài)范圍寬和響應(yīng)速度快。DDR成像系統(tǒng)可組合到用戶原有X線機(jī)上使用，提供數(shù)字X線影像數(shù)據(jù)。其它輔助設(shè)備還有：掃描控制器、系統(tǒng)控制器、影像監(jiān)視器等。掃描控制器主要由計算機(jī)控制的矩陣掃描電路、恢復(fù)電路及掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置組成。系統(tǒng)掃描器是計算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)，包括操作程序、圖像處理程序、圖像存儲、打印網(wǎng)絡(luò)管理等。影像監(jiān)視器可顯示攝影圖像，為工作人員提供攝影質(zhì)量參考。X線轉(zhuǎn)換為電信號可由直接和間接兩種方式完成。在直接轉(zhuǎn)換方式中，電壓加于作為光電導(dǎo)體的硒層上，X線的能量直接轉(zhuǎn)換為電信號。而在間接轉(zhuǎn)換方式中，X線先由閃爍提轉(zhuǎn)換為光信號，光信號再由光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號。平板探測器可有以上兩種方式的轉(zhuǎn)換形式，它們的主要不同點在于其制造結(jié)構(gòu)上的差異上。以上兩種類型的探測器各有優(yōu)缺點。12CsI閃爍體層由于晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，在傳遞信號的同時不可避免的光散射的發(fā)生，吸收率有所下降，但對最終圖像質(zhì)量影像不大。其較高的量子檢測效能（DQE）可在較低劑量曝光情況下獲得高質(zhì)量的圖像13。由于成像快，可用于透視及時間減影等領(lǐng)域，大大增加了X線檢查的使用范圍。而以硒作為光電導(dǎo)體可以直接將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，避免散射的發(fā)生。3.2.3 激光快速成型TC4射線衰減系數(shù)的測量（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；分析實驗原理，制作出詳細(xì)的實驗方案。（2）試驗選用激光快速成型TC4階梯試塊, DR平板探測器。（3）調(diào)節(jié)平板探測器各參數(shù)，根據(jù)試驗需要,控制灰度一定，曝光時間或電流改變，即曝光量改變，可描點繪制電壓U與透照厚度T在不同曝光量下各的擬合曲線。根據(jù)擬合曲線，在電壓不變的情況下，曝光量H1改變位H2則透照厚度T1也隨之改變?yōu)門2，再根據(jù)公式（1）可求得此時衰減系數(shù) （1)（4）同理求不同電壓下的衰減系數(shù)，繪制衰減系數(shù)與電壓U的關(guān)系曲線（5）總結(jié)實驗研究過程，得出最終結(jié)論。4、 目標(biāo)及工作進(jìn)度4.1目標(biāo)：測量激光快速成型TC4射線衰減系數(shù)。4.2工作進(jìn)度：（1）查閱文獻(xiàn)資料，撰寫開題報告，外文翻譯； 20xx.03.1620xx.03.20（2）熟悉和掌握射線檢測原理和方法； 20xx.03.2120xx.03.25（3）設(shè)計激光快速成型TC4透照布置方案； 20xx.03.2620xx.03.30 （4）開展射線檢測試驗研究并測定衰減系數(shù)； 20xx.04.0220xx.05.26（5）總結(jié)試驗規(guī)律，撰寫畢業(yè)論文； 20xx.05.2820xx.06.10（7）修改論文，準(zhǔn)備答辯 20xx.06.1120xx.06.175、 參考文獻(xiàn)1 丁宏升,郭景杰,賈均,等.真空感應(yīng)凝殼熔煉TC4合金的顯微組織和力學(xué)性能J.材料科學(xué) 與工藝.1999,(增刊):12.2 張小海;劉二軍. 射線照相檢驗中X射線強(qiáng)度衰減的數(shù)值分析J 中國特種設(shè)備 2012,06)3 李明利;舒瀅;馮毅江. 我國鈦和鈦合金板帶材應(yīng)用現(xiàn)狀分析鈦工業(yè)進(jìn)展J 東北大學(xué) 2011,08,16-25.4 張鵬省;毛小南. 韓棟航空航天用鈦合金盤件開發(fā)與應(yīng)用鈦工業(yè)進(jìn)展J 2011,03,16-20.5 張小海;鄔冠華;敖波射線檢測 2012,5,14-19.耿洪濱,何世禹,雷廷權(quán).熱循環(huán)對TC4鈦合金組織和機(jī)械性能的影響J.金屬學(xué)報,1996,32(1):51.6 柏林,趙志國,龔海波,等. 航空用鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成型技術(shù)研究進(jìn)展J. 航空制造技術(shù), 2013,11,45-49.7 黃張洪,曲恒磊,鄧超.航空用鈦及鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用J.材料導(dǎo)報,2011,(01):102-107.8 WilliamHofmeister.Investigatingsolidificationwiththelaserengineerednetshaping(LENSTM)process.TOM.19999 Hayashi T, Endoh S. Calculation and visualization of Lamb wave motion. Ultrasonics. 2000, 38(1): 770773.10 Y. Z. Zhang,L. K. Shi,J. Cheng,M. Z. Xi,J. Xu.Research and Advancement on Laser Direct Forming. Journal of Advanced Materials . 200311 Xin Lin,Yanmin Li,Meng Wang,Liping Feng,Jing Chen,Weidong Huang.Columnar to equiaxed transition during alloy solidificationJ. Science in China Series E: Technological Sciences . 2003 (5) 12 Fr