激光快速成型TC4射线衰减系数测量-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告题目 激光快速成型TC4射线 衰减系数测量专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日1、 选题的依据及意义：x射线照相检测技术具有缺陷显示直观，定性可靠性强，结果可长期保存并对试件无污染等优点；因此，在现代工业无损检测中应用非常广泛并占有很重要的地位1。衰减系数表示射线在物质中穿过单位距离时被吸收的几率，常以表示。当x射线透过材料时会与其发生相互作用，不同厚度，不同材质的材料引起射线的强度基于其反映在底片上的衬度差异就可以实现材料内部缺陷的判断和检测。当x射线在穿透物质并与物质相互作用过程中会被吸收从而产生衰减2。实际工业检测应用的射线总是会产生衰减，从而对射线照相影像质量产生重要的影响，主要表现在造成底片的灰雾度增大，图像模糊，降低底片的清晰度。对衰减系数是x射线检测中影响影像质量所需要控制的重要参数与其大小，与射线能量、穿透物质的种类、穿透厚度等诸多因素有关。针对激光快速成型TC4钛合金这种非常优秀的航空合金材料H面剖，本研究通过实验来测定它们的x射线衰减系数，通过衰减系数来揭示影响x射线成像质量，在实际检测过程中采取必要措施，将照相底片质量产生的不利影响尽可能降低到最小程度。2、 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： 激光快速成型技术始于二十世纪七十年代末期关于激光多层熔覆的研究。1979年，美国联合技术公司（United Technologies Corporation)的D.B.Snow 等人在海军部相关项目的资助下，进行采用激光多层熔覆的方法制造径向对称镍基高温合金零件的研究，并取得了相关专利，但由于当时计算机技术，特别是微型计算机技术的水平不高，对于形状复杂的零件，采用该技术进行制造仍然存在较大难度（主要是零件的3D技算机建模及分层切片等图形处理技术在当时还较为困难),因此该技术的研究主要集中于材料和熔覆工艺方面，发展较为困难。从二十世纪九十年代开始，随着计算机技术的迅速发展以及RP技术的逐渐成熟，激光快速成型技术在西方发达国家逐渐成为材料加工领域研究的热点，并迅速进入了高速发展阶段。近年来，美国Sandia国家实验室和Los Alomos 国家实验室针对镍基高温合金、不锈钢、工具钢、钛合金、钨等金属材料进行了大量的激光快速成型研究，所制造的金属零件不仅形状复杂，而且力学性能接近甚至超过传统锻造技术制造的零件。钛合金中应用最为广泛的是Ti-6Al-4V(TC4)合金。TC4是于1954年研制成功的一种新的两相钛合金，现在已经发展成为国际上应用最为广泛的钛合金，由于长时间的深入研究，其加工技术已经较为成熟35。近年来，随着对该合金的显微组织、热处理、加载方式及表面状态等对疲劳性能的影响规律及作用机理研究的进一步深入，使TC4合金再度成为钛合金应用研发的增长点。TC4合金是一种中等强度的两相钛合金，具有优异的综合性能，易于焊接、锻造和切削加工，通过热处理可使抗拉强度高达1173Mpa，并在482还有很好的热稳定性，合金长时间工作温度可达400度，在航空航天工业中获得了最广泛的应用。激光快速成型钛合金射线检测衰减系数在物理实验研究方面，国际上有许多人在研究材料的衰减系数，如：1957年，美国标准计量局（NBS）的Gladys White Grodstein 发表了10keV到100MeV能区的X射线衰减系数，1981年Henke发表了低能X射线相互作用，2000年澳大利亚墨尔本大学的Chantler等人发表了材料在0.1keV到10keV能区的衰减系数等等。3、 研究内容及实验方案：3.1 研究内容：掌握激光快速成型技术的基本原理，平板探测器原理及应用，测量激光快速成型TC4射线衰减系数以及钛合金应用。3.2 实验方案：3.2.1 TC4合金激光快速成型基本原理 英国伯明翰大学材料研究中心的吴鑫华团队实验发现：激光快速成型TC4钛合金零件过程的影响因素有激光能量、扫描速度、送粉率等。激光成型TC4合金具有网篮结构。铸造钛合金不能通过热处理细化晶粒, 破坏原始晶界, 但可以改变晶内组织, 从而影响性能。其常规热处理中的退火是为了消除应力或再结晶,稳定组织, 保证一定的力学性能, 而热等静压处理(HIP)广泛用于钛合金铸件的处理, 尤其是航空钛合金精密铸件的处理, 用以改善铸件内部的冶金缺陷, 提高与稳定铸件力学性能。激光快速成型TC4 钛合金的力学性能和常规制造方法,以及国外激光快速成型TC4 钛合金的力学性能。一般来说, 激光快速成形TC4 钛合金的金相组织与铸造组织相似, 但其晶粒要细小, 特别是相晶粒细小。因此其力学性能要高于铸造钛合金的力学性能。本文给出的力学性能确实高于铸造组织的力学性能, 达到了锻造组织的力学性能, 并且高于国外文献给出的激光快速成型TC4 钛合金的力学性能6 。实际上在激光快速成型钛合金时, 除了保证成型工艺参数外, 成型条件的一个重要作用是防止成型过程中的氧化和控制成型件中的氧含量810。这是因为在熔化过程中钛合金将发生剧烈的氧化(甚至可能发生燃烧)现象, 而且如果钛合金中的氧含量增加, 将使塑性指标急剧下降, 当氧含量超过0 .4 %后, 钛合金将失去工程应用价值。因此,标准规定工程用TC4 钛合金的氧含量在0 .08 %0 .4 % 范围内。本实验使用的钛合金粉末的含氧量0 .20 %，为了进一步说明成型条件和后处理工艺对力学性能的影响, 对在不同成型条件和后处理工艺下的成型试件进行了氧含量测定可以了解, 开放成型条件下成型试件的氧含量已经达到1 .00 %, 经真空退火后其氧含量没有降低, 这时其强度和塑性指标都很低;而经热等静压处理后, 氧含量明显下降, 其强度和塑性指标有所提高。在密闭成型条件下, 其氧含量(为0 .15 %)与原始粉末的氧含量(为0 .18 %)相比没有增加, 强度和塑性指标超过了铸造组织的指标, 达到了锻造组织的指标。图1 激光快速成型系统图2 激光快速成形系统过程示意图3.3.2 平板探测器原理平板探测器可以概括的说，它是一种采用半导体技术，将X线能量直接转换为电信号，产生X线图像的检测器79。平板探测器可以取代现在的所有类型的X线检测器，如电视影像增强系统。它最突出的特点就是输出的是高质量的数字化影像。在直接转换类型中，其制传递函数（MTF）特点较图像屏幕系统好，敏感性则可与电视增强系统相比。平板探测器的发展和进一步完善将可逐步取代传统的X线探测装置。平板探测器的类型大致可分为CCD型和非晶硅型、非晶硒型。CCD型平板探测器的主要原理是光信号由探测器内的CCD接受，读出并形成数字图像。非晶硅类型的平板探测器，它的核心是由非晶硅和薄膜晶体管构成的矩阵板，矩阵板的每一个单元包含一个存储电容和非晶硅的场效应管。整个数字矩阵封装在一个像“片夹”的盒里，它主要由闪烁层或硒层、矩阵板和玻璃衬底、读出线路等组成。其好的密度及空间分辨力代表了目前发展的主要方向。碘化铯（cesium iodide,CsI）具有高X线接收和可视光子产量。因为铯具有高原子序数，它是X线接收器的最佳选择材料，所以这种金属对于输入的X线非常适用。产生每个光子需要2025电子伏。搀入铯CsI激发出550nm的光，正是非晶硅光谱灵敏度的峰值。以硒作为光导材料，有两个原因：光敏电阻自身具有的高分辨力特性；用更厚的光导吸收层,可获得更高的X线灵敏度.硒可以直接将X线能量转换为电信号,硒光电导层被X线照射后产生的电子空穴对在6KV偏移电压下被电场分离，被每个像素单元收集并转换成X线数字影像的数据。矩阵板包括薄膜三极管（thin-film transistor,TFT）储能电容和集电器，其上沉积着无定型硅层，厚约500m。诸多像素（139139m）被安排为二维矩阵，按行设门控线。TFT像素的大小直接决定图像的空间分辨力，每一个像素具有电荷接收电极，信号存储电容及信号传输器，通过数据网与扫描电路连接。最后由读出电路读取数字信号并还原成影像1011。非晶硅对于X线接收器来说是最理想的材料，因为非晶硅对放射线的伤害是免疫的。以上是平板探测器的主要构成结构，平板探测器和X线球管组成了直接数字成像的主要部分。另一部分则是操作、质量控制和后处理部分。大部分的工作都是由计算机承担。主处理器实时的功能包括：偏移量的校正和增益；黑电平箝定；污点插补；帧积累和均化。而对于图像的后处理，可以利用辅助处理器完成，包括X线曝光控制、图像数据图形窗口化、扫描转化为常规模式、查找目录、降噪可变递归滤波等。最佳的性能是要求噪声低、动态范围宽和响应速度快。DDR成像系统可组合到用户原有X线机上使用，提供数字X线影像数据。其它辅助设备还有：扫描控制器、系统控制器、影像监视器等。扫描控制器主要由计算机控制的矩阵扫描电路、恢复电路及扫描数据转换装置组成。系统扫描器是计算机主机系统，包括操作程序、图像处理程序、图像存储、打印网络管理等。影像监视器可显示摄影图像，为工作人员提供摄影质量参考。X线转换为电信号可由直接和间接两种方式完成。在直接转换方式中，电压加于作为光电导体的硒层上，X线的能量直接转换为电信号。而在间接转换方式中，X线先由闪烁提转换为光信号，光信号再由光电二极管转换为电信号。平板探测器可有以上两种方式的转换形式，它们的主要不同点在于其制造结构上的差异上。以上两种类型的探测器各有优缺点。12CsI闪烁体层由于晶体结构的关系，在传递信号的同时不可避免的光散射的发生，吸收率有所下降，但对最终图像质量影像不大。其较高的量子检测效能（DQE）可在较低剂量曝光情况下获得高质量的图像13。由于成像快，可用于透视及时间减影等领域，大大增加了X线检查的使用范围。而以硒作为光电导体可以直接将光信号转换为电信号，避免散射的发生。3.2.3 激光快速成型TC4射线衰减系数的测量（1）查阅相关文献，了解国内外研究现状；分析实验原理，制作出详细的实验方案。（2）试验选用激光快速成型TC4阶梯试块, DR平板探测器。（3）调节平板探测器各参数，根据试验需要,控制灰度一定，曝光时间或电流改变，即曝光量改变，可描点绘制电压U与透照厚度T在不同曝光量下各的拟合曲线。根据拟合曲线，在电压不变的情况下，曝光量H1改变位H2则透照厚度T1也随之改变为T2，再根据公式（1）可求得此时衰减系数 （1)（4）同理求不同电压下的衰减系数，绘制衰减系数与电压U的关系曲线（5）总结实验研究过程，得出最终结论。4、 目标及工作进度4.1目标：测量激光快速成型TC4射线衰减系数。4.2工作进度：（1）查阅文献资料，撰写开题报告，外文翻译； 20xx.03.1620xx.03.20（2）熟悉和掌握射线检测原理和方法； 20xx.03.2120xx.03.25（3）设计激光快速成型TC4透照布置方案； 20xx.03.2620xx.03.30 （4）开展射线检测试验研究并测定衰减系数； 20xx.04.0220xx.05.26（5）总结试验规律，撰写毕业论文； 20xx.05.2820xx.06.10（7）修改论文，准备答辩 20xx.06.1120xx.06.175、 参考文献1 丁宏升,郭景杰,贾均,等.真空感应凝壳熔炼TC4合金的显微组织和力学性能J.材料科学 与工艺.1999,(增刊):12.2 张小海;刘二军. 射线照相检验中X射线强度衰减的数值分析J 中国特种设备 2012,06)3 李明利;舒滢;冯毅江. 我国钛和钛合金板带材应用现状分析钛工业进展J 东北大学 2011,08,16-25.4 张鹏省;毛小南. 韩栋航空航天用钛合金盘件开发与应用钛工业进展J 2011,03,16-20.5 张小海;邬冠华;敖波射线检测 2012,5,14-19.耿洪滨,何世禹,雷廷权.热循环对TC4钛合金组织和机械性能的影响J.金属学报,1996,32(1):51.6 柏林,赵志国,龚海波,等. 航空用钛合金结构件激光成型技术研究进展J. 航空制造技术, 2013,11,45-49.7 黄张洪,曲恒磊,邓超.航空用钛及钛合金的发展及应用J.材料导报,2011,(01):102-107.8 WilliamHofmeister.Investigatingsolidificationwiththelaserengineerednetshaping(LENSTM)process.TOM.19999 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