TC4钛合金计算机射线检测的衰减系数和灵敏度测定及散射

吴玉俊，向 奇，胡玉平，高鸿波

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室, 南昌 330063)



TC4钛合金计算机射线检测的衰减系数和灵敏度测定及散射

吴玉俊，向 奇，胡玉平，高鸿波

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室, 南昌 330063)

检测对象的线衰减系数和检测灵敏度是正确选择射线检测参数的重要依据，同时散射线的存在也会影响射线成像的质量。应用计算机射线检测技术对TC4钛合金进行衰减系数、检测灵敏度测定及散射的试验研究，以为相关检测人员提供参考。试验结果表明：在一定范围内，随着管电压的升高TC4钛合金的衰减系数成指数衰减；在某一管电压下存在较高的检测灵敏度，在一定管电压下，散射强度随着工件厚度的增加而减小。

CR技术；TC4钛合金；衰减系数；检测灵敏度；散射

TC4钛合金具有优良的耐腐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性等优点，在航空航天、石油化工、造船、汽车，医药等领域得到广泛应用[1]，因此对其进行无损检测的任务也日益繁重，而计算机射线照相(CR)技术是一种新兴的射线检测技术，其能在提高检测效率的同时保证正常的检测灵敏度。但该技术在TC4钛合金中的应用尚处在初期，对其进行射线检测的方法及相关理论研究还不够深入。笔者应用CR技术对TC4钛合金材料的X射线衰减系数、灵敏度和散射情况进行了试验研究，为正确选择检测参数提供重要依据。

1 试验原理

1.1 CR技术原理

CR技术(Computed Radiography)是数字射线检测技术中一种新的非胶片射线照相检验技术。采用贮存荧光成像板(Imaging Plates)的CR技术，是以某些荧光发射物质具有保留潜在图像信息的能力为基理的。这些荧光物质在受到射线照射时，在较高能带俘获电子形成光激发射荧光中心(PLC)。采用激光激发时，光激发射荧光中心的电子将返回它们的初始能级，并以发射可见光的形式输出能量，这种光发射与原来接收的射线剂量成一定比例。这样，当激光束扫描贮存荧光成像板时，就可将射线照相图像转化为可见的图像[2]。

CR系统由IP板、IP板图像读出器(扫描仪)、图像读出软件组成，其工作原理如图1所示。

图1 CR系统工作原理示意

1.2 材料X射线衰减系数的测定原理

X射线的衰减公式为：

(1)

式中：I0为初始X射线强度；I为衰减后的X射线强度；μ为材料的X射线衰减系数；T为材料厚度。

设射线机的焦距为F，则连续谱X射线强度公式为：

(2)

式中：K为常数；Z为靶的原子序数；V为管电压；i为管电流。

曝光量H为：

(3)

式中：t为曝光时间。

简易曝光量Q为：

(4)

由IP板得到灰度值相当，即可认为IP板接受到的曝光量H相同。使用同一射线机，保证管电压、管电流、焦距不变，使得IP板得到的潜影相同，即可得到简易曝光量T1,T2和试样厚度Q1,Q2。

由以上公式不难得到材料的X射线衰减系数：

(5)

式中：Q1,Q2为两个曝光量参数，mA·min；T1,T2为两个曝光参数造成灰度值25 000时对应试样的厚度。

1.3 检测灵敏度的测定原理

试验过程中以像质计不同直径的钛(Ti)丝作为人工缺陷，CR检测灵敏度S定义为：

(6)

式中：d为CR灰度图上所能发现像质计最细Ti丝的直径；y为相应位置的阶梯试块厚度。

检测灵敏度S越小，表示CR所能检测到的缺陷尺寸越小。

1.4 散射线的原理

射线与物质发生相互作用主要包括康普顿散射和瑞利散射，这两种作用使得射线透过物质后射线出射的方向发生改变。只有一次透射射线才是成像射线，散射线不是成像射线，散射线的存在会严重影响射线照相的影像质量，降低影像的对比度，增大灰雾度，同时产生边蚀效应[3]。散射线主要是由康普顿效应产生的。笔者采用宽束和窄束的灰度差来表征散射强度。

2 试验仪器与方法

2.1 试验仪器

选用山东济宁模具厂生产的TC4钛合金测厚阶梯试块，检测依据标准GB/T 23905-2009《无损检测 超声检测用试块》，长280 mm，宽80 mm，分为14个阶梯，每个阶梯高1 mm，故整个阶梯厚度为14 mm。

X射线探伤机为GE公司的多焦点射线机；像质计为Ti 丝像质计；IP板为IPS50；扫描仪为GE公司的工业CR 扫描仪；笔记本电脑；图像扫描处理软件为Rhythm RT和Rhythm Review；铅块、铅板。

2.2 透照工艺

射线机焦点尺寸选用1 mm，使用宽束连续X射线，管电压40 kV～120 kV，管电流5 mA，曝光时间1～3 min。

采用宽束透照方式，X射线源位于试样正上方约1 000 mm处，在试样的底部和周围放置铅块屏蔽，以消除散射线的“边蚀”。在阶梯试块的每一阶上下放置好准直器。

2.3 试验结果与对比分析

2.3.1 衰减系数的测定

利用RhythmReview软件读取TC4钛合金阶梯试块每一阶梯中宽束灰度平均值。该IP板的最大灰度值为49 140，为保证较好的成像效果，取某一电压、某一曝光量下25 000灰度值的阶梯试块的厚度为该电压，曝光量下的理想对比厚度。画出数据的灰度-厚度散点图，利用指数函数拟合出25 000灰度值对应的厚度，如图2所示。

图2 80 kV电压，5 mA·1 min曝光量的窄束灰度-厚度拟合效果

表1，2分别给出了不同曝光量下得到的宽束条件下CR图像25 000灰度值处对应的拟合厚度值，根据式(5)即可得到不同管电压下TC4钛合金对X射线的线衰减系数，见表3。将表3的数据拟合即可得到图3。

表1 曝光量为5 mA·1 min的拟合厚度

表2 曝光量为5 mA· 3 min的拟合厚度

表3 不同管宽束衰减系数

图3 宽束衰减系数曲线

该曲线的拟合相似度达到0.997 71，拟合函数为：

(7)

式中：y为TC4钛合金的线衰减系数；x为与线衰减系数对应的管电压。

由图(3)和式(7)可以得到TC4钛合金的线衰减系数随着管电压的升高成指数衰减。这是由于随着管电压的升高，射线的能量升高，被TC4钛合金所吸收和散射的射线减少，线衰减系数减小。

2.3.2 散射研究

利用灰度差表征散射线强度，研究散射和厚度、电压之间的关系。在曝光量为5 mA·1 min的情况下，得出数据如图4,5所示。

图4 灰度差和厚度的关系

图5 灰度差和电压的关系

由图4，5可知，散射线随着工件厚度的增加而减少，随着电压的升高而增大。

2.3.3 灵敏度检测

用图像处理软件ImageJ读取IP板上像质计10～16丝号处的灰度值，在每个丝径领域内拉一条直线，领域平均灰度值为背景灰度值。该灰度值减去丝径处灰度值，可以得出该丝号丝径造成的灰度差，用此灰度差与领域平均值相比来判定在该厚度下像质计丝号是否可见，设定阈值为2%[4]。不同电压、曝光量下灰度曲线如图6所示。

根据标准NB/T47013.2-2015《承压设备无损检测：射线检测》，得出对应最小能识别丝号的丝径，并按照式(6)计算可得灵敏度随电压变化如表4所示。

表4 灵敏度随电压变化

图6 不同电压、曝光量下灰度曲线

由表4可知，在合理的管电压范围内，灵敏度随电压的升高先增大后减小，对此试验参数而言，80 kV能得到最佳的灵敏度。

3 结论

(1) 在一定范围内，随着管电压的升高,TC4钛合金的线衰减系数成指数衰减。

(2) 在一定电压下，散射强度随着钛合金工件厚度的升高而减小，散射强度随电压的升高而增大。

(3) 在一定范围内，检测灵敏度随电压的升高而增大；超出这一范围，检测灵敏度随电压升高而减小。

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

[2] 郑世才.CR技术介绍[J].无损探伤，2008(5):1-10.

[3] 张小海，邬冠华.射线检测[M].北京：机械工业出版社，2013.

[4] ASTM E2445-2005 无损检测 计算机射线照相系统的长期稳定性与鉴定方法[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

吴玉俊(1993-),男，硕士研究生，主要研究方向为无损检测。

吴玉俊，E-mail:1475806690@qq.com。

10.11973/wsjc201611015

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0066-04

导师简介：高鸿波，男，博士，主要研究方向为无损检测。