吳玉俊，向 奇，胡玉平，高鴻波

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室, 南昌 330063)

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TC4鈦合金計算機(jī)射線檢測的衰減系數(shù)和靈敏度測定及散射

吳玉俊，向 奇，胡玉平，高鴻波

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室, 南昌 330063)

檢測對象的線衰減系數(shù)和檢測靈敏度是正確選擇射線檢測參數(shù)的重要依據(jù)，同時散射線的存在也會影響射線成像的質(zhì)量。應(yīng)用計算機(jī)射線檢測技術(shù)對TC4鈦合金進(jìn)行衰減系數(shù)、檢測靈敏度測定及散射的試驗研究，以為相關(guān)檢測人員提供參考。試驗結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，隨著管電壓的升高TC4鈦合金的衰減系數(shù)成指數(shù)衰減；在某一管電壓下存在較高的檢測靈敏度，在一定管電壓下，散射強(qiáng)度隨著工件厚度的增加而減小。

CR技術(shù)；TC4鈦合金；衰減系數(shù)；檢測靈敏度；散射

TC4鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性、小的密度、高的比強(qiáng)度及較好的韌性和焊接性等優(yōu)點，在航空航天、石油化工、造船、汽車，醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，因此對其進(jìn)行無損檢測的任務(wù)也日益繁重，而計算機(jī)射線照相(CR)技術(shù)是一種新興的射線檢測技術(shù)，其能在提高檢測效率的同時保證正常的檢測靈敏度。但該技術(shù)在TC4鈦合金中的應(yīng)用尚處在初期，對其進(jìn)行射線檢測的方法及相關(guān)理論研究還不夠深入。筆者應(yīng)用CR技術(shù)對TC4鈦合金材料的X射線衰減系數(shù)、靈敏度和散射情況進(jìn)行了試驗研究，為正確選擇檢測參數(shù)提供重要依據(jù)。

1 試驗原理

1.1 CR技術(shù)原理

CR技術(shù)(Computed Radiography)是數(shù)字射線檢測技術(shù)中一種新的非膠片射線照相檢驗技術(shù)。采用貯存熒光成像板(Imaging Plates)的CR技術(shù)，是以某些熒光發(fā)射物質(zhì)具有保留潛在圖像信息的能力為基理的。這些熒光物質(zhì)在受到射線照射時，在較高能帶俘獲電子形成光激發(fā)射熒光中心(PLC)。采用激光激發(fā)時，光激發(fā)射熒光中心的電子將返回它們的初始能級，并以發(fā)射可見光的形式輸出能量，這種光發(fā)射與原來接收的射線劑量成一定比例。這樣，當(dāng)激光束掃描貯存熒光成像板時，就可將射線照相圖像轉(zhuǎn)化為可見的圖像[2]。

CR系統(tǒng)由IP板、IP板圖像讀出器(掃描儀)、圖像讀出軟件組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 CR系統(tǒng)工作原理示意

1.2 材料X射線衰減系數(shù)的測定原理

X射線的衰減公式為：

(1)

式中：I0為初始X射線強(qiáng)度；I為衰減后的X射線強(qiáng)度；μ為材料的X射線衰減系數(shù)；T為材料厚度。

設(shè)射線機(jī)的焦距為F，則連續(xù)譜X射線強(qiáng)度公式為：

(2)

式中：K為常數(shù)；Z為靶的原子序數(shù)；V為管電壓；i為管電流。

曝光量H為：

(3)

式中：t為曝光時間。

簡易曝光量Q為：

(4)

由IP板得到灰度值相當(dāng)，即可認(rèn)為IP板接受到的曝光量H相同。使用同一射線機(jī)，保證管電壓、管電流、焦距不變，使得IP板得到的潛影相同，即可得到簡易曝光量T1,T2和試樣厚度Q1,Q2。

由以上公式不難得到材料的X射線衰減系數(shù)：

(5)

式中：Q1,Q2為兩個曝光量參數(shù)，mA·min；T1,T2為兩個曝光參數(shù)造成灰度值25 000時對應(yīng)試樣的厚度。

1.3 檢測靈敏度的測定原理

試驗過程中以像質(zhì)計不同直徑的鈦(Ti)絲作為人工缺陷，CR檢測靈敏度S定義為：

(6)

式中：d為CR灰度圖上所能發(fā)現(xiàn)像質(zhì)計最細(xì)Ti絲的直徑；y為相應(yīng)位置的階梯試塊厚度。

檢測靈敏度S越小，表示CR所能檢測到的缺陷尺寸越小。

1.4 散射線的原理

射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用主要包括康普頓散射和瑞利散射，這兩種作用使得射線透過物質(zhì)后射線出射的方向發(fā)生改變。只有一次透射射線才是成像射線，散射線不是成像射線，散射線的存在會嚴(yán)重影響射線照相的影像質(zhì)量，降低影像的對比度，增大灰霧度，同時產(chǎn)生邊蝕效應(yīng)[3]。散射線主要是由康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的。筆者采用寬束和窄束的灰度差來表征散射強(qiáng)度。

2 試驗儀器與方法

2.1 試驗儀器

選用山東濟(jì)寧模具廠生產(chǎn)的TC4鈦合金測厚階梯試塊，檢測依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23905-2009《無損檢測 超聲檢測用試塊》，長280 mm，寬80 mm，分為14個階梯，每個階梯高1 mm，故整個階梯厚度為14 mm。

X射線探傷機(jī)為GE公司的多焦點射線機(jī)；像質(zhì)計為Ti 絲像質(zhì)計；IP板為IPS50；掃描儀為GE公司的工業(yè)CR 掃描儀；筆記本電腦；圖像掃描處理軟件為Rhythm RT和Rhythm Review；鉛塊、鉛板。

2.2 透照工藝

射線機(jī)焦點尺寸選用1 mm，使用寬束連續(xù)X射線，管電壓40 kV～120 kV，管電流5 mA，曝光時間1～3 min。

采用寬束透照方式，X射線源位于試樣正上方約1 000 mm處，在試樣的底部和周圍放置鉛塊屏蔽，以消除散射線的“邊蝕”。在階梯試塊的每一階上下放置好準(zhǔn)直器。

2.3 試驗結(jié)果與對比分析

2.3.1 衰減系數(shù)的測定

利用RhythmReview軟件讀取TC4鈦合金階梯試塊每一階梯中寬束灰度平均值。該IP板的最大灰度值為49 140，為保證較好的成像效果，取某一電壓、某一曝光量下25 000灰度值的階梯試塊的厚度為該電壓，曝光量下的理想對比厚度。畫出數(shù)據(jù)的灰度-厚度散點圖，利用指數(shù)函數(shù)擬合出25 000灰度值對應(yīng)的厚度，如圖2所示。

圖2 80 kV電壓，5 mA·1 min曝光量的窄束灰度-厚度擬合效果

表1，2分別給出了不同曝光量下得到的寬束條件下CR圖像25 000灰度值處對應(yīng)的擬合厚度值，根據(jù)式(5)即可得到不同管電壓下TC4鈦合金對X射線的線衰減系數(shù)，見表3。將表3的數(shù)據(jù)擬合即可得到圖3。

表1 曝光量為5 mA·1 min的擬合厚度

表2 曝光量為5 mA· 3 min的擬合厚度

表3 不同管寬束衰減系數(shù)

圖3 寬束衰減系數(shù)曲線

該曲線的擬合相似度達(dá)到0.997 71，擬合函數(shù)為：

(7)

式中：y為TC4鈦合金的線衰減系數(shù)；x為與線衰減系數(shù)對應(yīng)的管電壓。

由圖(3)和式(7)可以得到TC4鈦合金的線衰減系數(shù)隨著管電壓的升高成指數(shù)衰減。這是由于隨著管電壓的升高，射線的能量升高，被TC4鈦合金所吸收和散射的射線減少，線衰減系數(shù)減小。

2.3.2 散射研究

利用灰度差表征散射線強(qiáng)度，研究散射和厚度、電壓之間的關(guān)系。在曝光量為5 mA·1 min的情況下，得出數(shù)據(jù)如圖4,5所示。

圖4 灰度差和厚度的關(guān)系

圖5 灰度差和電壓的關(guān)系

由圖4，5可知，散射線隨著工件厚度的增加而減少，隨著電壓的升高而增大。

2.3.3 靈敏度檢測

用圖像處理軟件ImageJ讀取IP板上像質(zhì)計10～16絲號處的灰度值，在每個絲徑領(lǐng)域內(nèi)拉一條直線，領(lǐng)域平均灰度值為背景灰度值。該灰度值減去絲徑處灰度值，可以得出該絲號絲徑造成的灰度差，用此灰度差與領(lǐng)域平均值相比來判定在該厚度下像質(zhì)計絲號是否可見，設(shè)定閾值為2%[4]。不同電壓、曝光量下灰度曲線如圖6所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.2-2015《承壓設(shè)備無損檢測：射線檢測》，得出對應(yīng)最小能識別絲號的絲徑，并按照式(6)計算可得靈敏度隨電壓變化如表4所示。

表4 靈敏度隨電壓變化

圖6 不同電壓、曝光量下灰度曲線

由表4可知，在合理的管電壓范圍內(nèi)，靈敏度隨電壓的升高先增大后減小，對此試驗參數(shù)而言，80 kV能得到最佳的靈敏度。

3 結(jié)論

(1) 在一定范圍內(nèi)，隨著管電壓的升高,TC4鈦合金的線衰減系數(shù)成指數(shù)衰減。

(2) 在一定電壓下，散射強(qiáng)度隨著鈦合金工件厚度的升高而減小，散射強(qiáng)度隨電壓的升高而增大。

(3) 在一定范圍內(nèi)，檢測靈敏度隨電壓的升高而增大；超出這一范圍，檢測靈敏度隨電壓升高而減小。

[1] WELCH G, BOYER R, COLLINGS E W. Material properties handbook: titanium alloys[M].[S.l]: ASM International, 1994.

[2] 鄭世才.CR技術(shù)介紹[J].無損探傷，2008(5):1-10.

[3] 張小海，鄔冠華.射線檢測[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4] ASTM E2445-2005 無損檢測 計算機(jī)射線照相系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性與鑒定方法[S].

X-Ray Attenuation Coefficient, Sensitivity Measure and Scattering of TC4 Alloy Based on Computed Radiography

WU Yu-jun, XIANG Qi, HU Yu-ping, GAO Hong-bo

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

X-Ray attenuation coefficient and sensitivity are the important basis for selecting testing parameters, and the existence of the scattering also affects the quality of the X-Ray imaging. In this paper, Computed radiography is used for measuring and analyzing the attenuation coefficient, scattering and sensitivity of TC4 alloy, and a reference is provided for related industries. The results show that attenuation coefficient of TC4 goes into exponential decay with voltage rise in a certain range. Under a certain voltage , the sensitivity is largest. Under the fixed tube voltage, scattering decreases with the increase of the thickness of the work piece.

Computed radiography; TC4 alloy; Attenuation coefficient; Detection sensitivity; Scattering

2016-06-22

吳玉俊(1993-),男，碩士研究生，主要研究方向為無損檢測。

吳玉俊，E-mail:1475806690@qq.com。

10.11973/wsjc201611015

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0066-04

導(dǎo)師簡介：高鴻波，男，博士，主要研究方向為無損檢測。