TC4鈦合金計算機射線檢測的衰減系數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 無損檢測技術教育部重點實驗室, 南昌 330063)

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TC4鈦合金計算機射線檢測的衰減系數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 無損檢測技術教育部重點實驗室, 南昌 330063)

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

CR技術；TC4鈦合金；衰減系數；檢測靈敏度；散射

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

1 試驗原理

1.1 CR技術原理

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

CR系統由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系統工作原理示意

1.2 材料X射線衰減系數的測定原理

X射線的衰減公式為：

(1)

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

設射線機的焦距為F，則連續譜X射線強度公式為：

(2)

式中：K為常數；Z為靶的原子序數；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，即可認為IP板接受到的曝光量H相同。使用同一射線機，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：

(5)

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

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灰度圖上所能發現像質計最細Ti絲的直徑；y為相應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

射線與物質發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后射線出射的方向發生改變。只有一次透射射線才是成像射線，散射線不是成像射線，散射線的存在會嚴重影響射線照相的影像質量，降低影像的對比度，增大灰霧度，同時產生邊蝕效應[3]。散射線主要是由康普頓效應產生的。筆者采用寬束和窄束的灰度差來表征散射強度。

2 試驗儀器與方法

2.1 試驗儀器

選用山東濟寧模具廠生產的TC4鈦合金測厚階梯試塊，檢測依據標準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射線探傷機為GE公司的多焦點射線機；像質計為Ti 絲像質計；IP板為IPS50；掃描儀為GE公司的工業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

射線機焦點尺寸選用1 mm，使用寬束連續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直器。

2.3 試驗結果與對比分析

2.3.1 衰減系數的測定

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。畫出數據的灰度-厚度散點圖，利用指數函數擬合出25 000灰度值對應的厚度，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灰度值處對應的擬合厚度值，根據式(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，見表3。將表3的數據擬合即可得到圖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

圖3 寬束衰減系數曲線

該曲線的擬合相似度達到0.997 71，擬合函數為：

(7)

式中：y為TC4鈦合金的線衰減系數；x為與線衰減系數對應的管電壓。

由圖(3)和式(7)可以得到TC4鈦合金的線衰減系數隨著管電壓的升高成指數衰減。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，線衰減系數減小。

2.3.2 散射研究

利用灰度差表征散射線強度，研究散射和厚度、電壓之間的關系。在曝光量為5 mA·1 min的情況下，得出數據如圖4,5所示。

圖4 灰度差和厚度的關系

圖5 灰度差和電壓的關系

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板上像質計10～16絲號處的灰度值，在每個絲徑領域內拉一條直線，領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，用此灰度差與領域平均值相比來判定在該厚度下像質計絲號是否可見，設定閾值為2%[4]。不同電壓、曝光量下灰度曲線如圖6所示。

根據標準NB/T47013.2-2015《承壓設備無損檢測：射線檢測》，得出對應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，靈敏度隨電壓的升高先增大后減小，對此試驗參數而言，80 kV能得到最佳的靈敏度。

3 結論

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

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

(3) 在一定范圍內，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：機械工業出版社，2013.

[4] ASTM E2445-2005 無損檢測 計算機射線照相系統的長期穩定性與鑒定方法[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

導師簡介：高鴻波，男，博士，主要研究方向為無損檢測。