激光快速成型TC4射線衰減系數(shù)測(cè)量-開題報(bào)告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目 激光快速成型TC4射線 衰減系數(shù)測(cè)量專 業(yè) 名 稱 測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 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(cè)技術(shù)具有缺陷顯示直觀，定性可靠性強(qiáng)，結(jié)果可長(zhǎng)期保存并對(duì)試件無污染等優(yōu)點(diǎn)；因此，在現(xiàn)代工業(yè)無損檢測(cè)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(shí)被吸收的幾率，常以表示。當(dāng)x射線透過材料時(shí)會(huì)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(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷的判斷和檢測(cè)。當(dāng)x射線在穿透物質(zhì)并與物質(zhì)相互作用過程中會(huì)被吸收從而產(chǎn)生衰減2。實(shí)際工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用的射線總是會(huì)產(chǎn)生衰減，從而對(duì)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(duì)衰減系數(shù)是x射線檢測(cè)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(duì)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(shí)驗(yàn)來測(cè)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(shí)際檢測(cè)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(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（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(guó)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(xiàng)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(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的水平不高，對(duì)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(shí)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(jì)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(guó)家逐漸成為材料加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并迅速進(jìn)入了高速發(fā)展階段。近年來，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Los Alomos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)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(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的鈦合金，由于長(zhǎng)時(shí)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(duì)該合金的顯微組織、熱處理、加載方式及表面狀態(tài)等對(duì)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(zhǎng)點(diǎn)。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(zhǎng)時(shí)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(cè)衰減系數(shù)在物理實(shí)驗(yàn)研究方面，國(guó)際上有許多人在研究材料的衰減系數(shù)，如：1957年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：3.1 研究?jī)?nèi)容：掌握激光快速成型技術(shù)的基本原理，平板探測(cè)器原理及應(yīng)用，測(cè)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(shí)驗(yàn)方案：3.2.1 TC4合金激光快速成型基本原理 英國(guó)伯明翰大學(xué)材料研究中心的吳鑫華團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)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(guó)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(shí)際上在激光快速成型鈦合金時(shí), 除了保證成型工藝參數(shù)外, 成型條件的一個(gè)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?yàn)樵谌刍^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(jià)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(shí)驗(yàn)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(duì)力學(xué)性能的影響, 對(duì)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(cè)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(shí)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(cè)器原理平板探測(cè)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(hào)，產(chǎn)生X線圖像的檢測(cè)器79。平板探測(cè)器可以取代現(xiàn)在的所有類型的X線檢測(cè)器，如電視影像增強(qiáng)系統(tǒng)。它最突出的特點(diǎn)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(diǎn)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(cè)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(cè)裝置。平板探測(cè)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(cè)器的主要原理是光信號(hào)由探測(cè)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(cè)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(gè)單元包含一個(gè)存儲(chǔ)電容和非晶硅的場(chǎng)效應(yīng)管。整個(gè)數(shù)字矩陣封裝在一個(gè)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?yàn)殇C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(duì)于輸入的X線非常適用。產(chǎn)生每個(gè)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(gè)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(hào),硒光電導(dǎo)層被X線照射后產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在6KV偏移電壓下被電場(chǎng)分離，被每個(gè)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(chǔ)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(gè)像素具有電荷接收電極，信號(hào)存儲(chǔ)電容及信號(hào)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(hào)并還原成影像1011。非晶硅對(duì)于X線接收器來說是最理想的材料，因?yàn)榉蔷Ч鑼?duì)放射線的傷害是免疫的。以上是平板探測(cè)器的主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)，平板探測(cè)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(jì)算機(jī)承擔(dān)。主處理器實(shí)時(shí)的功能包括：偏移量的校正和增益；黑電平箝定；污點(diǎn)插補(bǔ)；幀積累和均化。而對(duì)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(dòng)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(jì)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(jì)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(chǔ)、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(hào)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(hào)。而在間接轉(zhuǎn)換方式中，X線先由閃爍提轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光信號(hào)再由光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。平板探測(cè)器可有以上兩種方式的轉(zhuǎn)換形式，它們的主要不同點(diǎn)在于其制造結(jié)構(gòu)上的差異上。以上兩種類型的探測(cè)器各有優(yōu)缺點(diǎn)。12CsI閃爍體層由于晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，在傳遞信號(hào)的同時(shí)不可避免的光散射的發(fā)生，吸收率有所下降，但對(duì)最終圖像質(zhì)量影像不大。其較高的量子檢測(cè)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(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(cè)量（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；分析實(shí)驗(yàn)原理，制作出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案。（2）試驗(yàn)選用激光快速成型TC4階梯試塊, DR平板探測(cè)器。（3）調(diào)節(jié)平板探測(cè)器各參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)需要,控制灰度一定，曝光時(shí)間或電流改變，即曝光量改變，可描點(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(bào)告，外文翻譯； 20xx.03.1620xx.03.20（2）熟悉和掌握射線檢測(cè)原理和方法； 20xx.03.2120xx.03.25（3）設(shè)計(jì)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(cè)試驗(yàn)研究并測(cè)定衰減系數(shù)； 20xx.04.0220xx.05.26（5）總結(jié)試驗(yàn)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(yàn)中X射線強(qiáng)度衰減的數(shù)值分析J 中國(guó)特種設(shè)備 2012,06)3 李明利;舒瀅;馮毅江. 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