陶瓷材料与铝合金数字射线检测等效系数的确定

，，，，

(山东非金属材料研究所，济南 250031)

陶瓷材料是一种先进的材料，是通过粉末冶金处理对极细的粉末加热和加压形成的固体材料。陶瓷材料具有高熔点、高强度、高硬度、耐腐蚀、高耐磨性等特点，广泛应用在坦克防护、飞机、车辆、船舰等关键部位的防弹遮蔽层上。实践表明，世界上许多先进坦克的防护装甲采用高性能陶瓷后，防护性能得到明显提高，是目前较为理想的防护材料，已经成为复合装甲不可缺少的材料之一。但是，陶瓷材料的塑性差，易产生脆性断裂，从而阻碍了其应用[1-2]，为了保证产品中陶瓷材料的优良性能，对陶瓷产品进行无损检测显得尤为重要。随着无损检测技术和数字化技术的发展，数字射线检测技术是一种方便快捷的方法。

陶瓷材料属于非标准材料，射线检测时曝光条件及像质计的选用等缺乏必要依据。笔者以铝合金、陶瓷材料为研究对象，其中铝合金为标准材料，通过试验分别绘制出不同电压下陶瓷及铝合金的X射线穿透率与穿透厚度的关系曲线，并拟合得到相应公式，得出在穿透率相同的条件下，陶瓷与铝合金的等效厚度，进而确定陶瓷与铝合金的射线透照等效系数。根据射线透照等效系数确定陶瓷材料的曝光条件及像质计的替用等，对陶瓷材料的射线检测具有一定的指导意义。

1 试验方法

1.1 数字射线检测技术

数字射线检测技术是X射线放射技术与计算机图像处理技术结合形成的一种先进的X射线无损检测技术，其检测系统主要由射线源、机械控制系统、探测器系统、计算机系统等组成。其工作原理为：X射线机发出的X射线穿过被检测工件时，射线强度将发生衰减，探测器接收衰减的射线信息并将其转化成电信号，再经过A/D(数字模拟)转换成数字图像信号，最后在计算机上以图像形式显示出被检测物体，检测人员通过图像分析处理软件对图像进行移动、放大缩小、亮度调节和对比度调节等后续图像处理，可清晰地显示出被检测工件内部的缺陷性质、大小、位置等信息[3-4]。

1.2 试验设备

试验用射线源为德国YXLON公司的可变焦点金属陶瓷射线管，型号为Y.TU 225-V01，最大管电压为225 kV，焦点直径范围为0.25～0.8 mm可调，最大输出功率为1.6 kW；探测器为美国Varian公司的2520DX平板探测器，能量范围为40 kV～225 kV，像元面积为127 μm2，像元矩阵为1 920×1 536， A/D转换精度为16 bits，极限分辨率为3.94 lp·mm-1，最大帧速率为12.5 帧·s-1。

1.3 试验试块

试验试块为不同厚度范围的阶梯试块，陶瓷试块为氧化铝陶瓷阶梯试块，厚度范围为4～20 mm，厚度增量为1 mm；铝合金试样厚度范围为1～10 mm，厚度增量为1 mm的阶梯试块。

2 试验结果与分析

射线穿透率为射线穿过物体后的射线强度与未穿过物体的射线强度之比。在此，射线强度利用探测器采集到的X射线光子数表示，其大小可由图像处理软件计算，步骤如下：首先对被检测物体进行DR(数字射线)扫描；然后进行空白背景DR扫描；利用图像处理软件计算得到被检测物体的射线穿透率。

2.1 陶瓷X射线穿透率与透照厚度曲线的制作

在射线源焦点尺寸(直径)为0.8 mm，透照电压为60 kV～90 kV，步增5 kV的试验条件下，对陶瓷阶梯试块进行DR透照，并利用图像处理软件计算得到不同厚度陶瓷的X射线穿透率，检测结果如表1所示。

由表1可看出，在同一透照电压下，陶瓷X射线穿透率随穿透厚度的逐渐增加呈相应减小的变化趋势，当达到一定厚度时，在厚度变化不大的情况下，穿透率基本一致；同一厚度的陶瓷，随着透照电压的增加，X射线穿透率逐渐增大。根据表1中的数据绘制出不同透照电压下陶瓷的X射线穿透率与透照厚度的关系曲线(见图1)。

表1 不同透照电压下陶瓷的X射线穿透率 %

图1 不同透照电压下陶瓷的X射线穿透率与穿透厚度的关系曲线

从图1可知，陶瓷X射线穿透率与穿透厚度成指数变化关系，其拟合公式及相关性系数如表2所示(y为X射线穿透率，x为陶瓷透照厚度)。

由表2可知，在不同透照电压下，陶瓷X射线穿透率与透照厚度的曲线拟合相关性系数R2的范围为0.996～0.998，数值趋近于1，曲线拟合较好，表明陶瓷X射线穿透率与穿透厚度的指数拟合高度相关，从而明确该曲线拟合公式可以用于陶瓷在不同X射线透照电压下数字射线穿透率的计算。

2.2 铝合金X射线穿透率与透照厚度曲线的制作

在与陶瓷透照条件完全相同的情况下，对铝合金阶梯试块进行DR透照，得到不同厚度铝合金的X射线穿透率，结果见表3。

表2 不同透照电压下的陶瓷曲线拟合公式

表3 不同透照电压下铝合金的X射线穿透率 %

由表3可以看出，在相同透照电压下，随着铝合金穿透厚度的逐渐增加，X射线穿透率逐渐减小；相同透照厚度的铝合金，随着透照电压的逐渐增加，X射线穿透率相应增大。根据表3中的数据绘制铝合金DR检测的X射线穿透率与穿透厚度的关系曲线(见图2)。

图2 不同透照电压下铝合金X射线穿透率与穿透厚度的关系曲线

从图2可知，铝合金X射线穿透率与透照厚度呈指数变化关系，其拟合公式及相关性系数如表4所示。

表4 不同透照电压下的铝合金曲线拟合公式

由表4可以看出，不同透照电压下，铝合金X射线穿透率与穿透厚度的曲线拟合相关性系数R2的范围为0.996～0.998，数值趋近于1， 表明铝合金X射线穿透率与穿透厚度的指数曲线拟合高度相关，该曲线拟合公式可以用于铝合金在不同X射线透照电压下的数字射线穿透率的计算。

2.3 等效系数的确定

射线透照等效系数φ是指在一定的管电压下，到相同的射线吸收效果时标准材料厚度T0与被检测工件厚度T的比值，即φ=T0/T，T0与T互为等效厚度[5]。在相同的X射线穿透率下，所对应的透照厚度互为等效厚度。如果选择X射线穿透率为30%，根据表2，4分别计算不同透照电压下的陶瓷穿透厚度、铝合金穿透厚度及相应的透照等效系数，透照厚度及等效系数计算结果如表5所示。

表5 陶瓷和铝合金X射线透照厚度及等效系数计算结果

从表5可以看出，不同透照电压下的陶瓷材料与铝合金的射线透照等效系数不同，当透照电压相差较大时，等效系数相差较大。

需注意的是，相同产品在不同检测系统下的X射线穿透率不尽相同，在具体检测过程中，各单位可根据自身实际情况，通过试验绘制适合各单位的X射线穿透率与穿透厚度的关系曲线。

3 结语

通过试验可以得出，不同透照电压下的陶瓷材料与铝合金数字射线检测透照等效系数不相同，当透照电压相差较大时，等效系数相差较大。介绍了一种确定陶瓷材料与铝合金数字射线检测透照等效系数的方法，即在透照条件相同的情况下，分别绘制出不同透照电压下陶瓷及铝合金的X射线穿透率与穿透厚度的关系曲线，得出在穿透率相同条件下陶瓷与铝合金的等效厚度，进而确定其透照等效系数。该方法不仅简单，而且实用性强，在X射线检测中具有一定的实际意义，其他材料的射线检测等效系数也可参考该方法确定。