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(山東非金屬材料研究所，濟南 250031)

陶瓷材料是一種先進的材料，是通過粉末冶金處理對極細的粉末加熱和加壓形成的固體材料。陶瓷材料具有高熔點、高強度、高硬度、耐腐蝕、高耐磨性等特點，廣泛應用在坦克防護、飛機、車輛、船艦等關(guān)鍵部位的防彈遮蔽層上。實踐表明，世界上許多先進坦克的防護裝甲采用高性能陶瓷后，防護性能得到明顯提高，是目前較為理想的防護材料，已經(jīng)成為復合裝甲不可缺少的材料之一。但是，陶瓷材料的塑性差，易產(chǎn)生脆性斷裂，從而阻礙了其應用[1-2]，為了保證產(chǎn)品中陶瓷材料的優(yōu)良性能，對陶瓷產(chǎn)品進行無損檢測顯得尤為重要。隨著無損檢測技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字射線檢測技術(shù)是一種方便快捷的方法。

陶瓷材料屬于非標準材料，射線檢測時曝光條件及像質(zhì)計的選用等缺乏必要依據(jù)。筆者以鋁合金、陶瓷材料為研究對象，其中鋁合金為標準材料，通過試驗分別繪制出不同電壓下陶瓷及鋁合金的X射線穿透率與穿透厚度的關(guān)系曲線，并擬合得到相應公式，得出在穿透率相同的條件下，陶瓷與鋁合金的等效厚度，進而確定陶瓷與鋁合金的射線透照等效系數(shù)。根據(jù)射線透照等效系數(shù)確定陶瓷材料的曝光條件及像質(zhì)計的替用等，對陶瓷材料的射線檢測具有一定的指導意義。

1 試驗方法

1.1 數(shù)字射線檢測技術(shù)

數(shù)字射線檢測技術(shù)是X射線放射技術(shù)與計算機圖像處理技術(shù)結(jié)合形成的一種先進的X射線無損檢測技術(shù)，其檢測系統(tǒng)主要由射線源、機械控制系統(tǒng)、探測器系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)等組成。其工作原理為：X射線機發(fā)出的X射線穿過被檢測工件時，射線強度將發(fā)生衰減，探測器接收衰減的射線信息并將其轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過A/D(數(shù)字模擬)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，最后在計算機上以圖像形式顯示出被檢測物體，檢測人員通過圖像分析處理軟件對圖像進行移動、放大縮小、亮度調(diào)節(jié)和對比度調(diào)節(jié)等后續(xù)圖像處理，可清晰地顯示出被檢測工件內(nèi)部的缺陷性質(zhì)、大小、位置等信息[3-4]。

1.2 試驗設備

試驗用射線源為德國YXLON公司的可變焦點金屬陶瓷射線管，型號為Y.TU 225-V01，最大管電壓為225 kV，焦點直徑范圍為0.25～0.8 mm可調(diào)，最大輸出功率為1.6 kW；探測器為美國Varian公司的2520DX平板探測器，能量范圍為40 kV～225 kV，像元面積為127 μm2，像元矩陣為1 920×1 536， A/D轉(zhuǎn)換精度為16 bits，極限分辨率為3.94 lp·mm-1，最大幀速率為12.5 幀·s-1。

1.3 試驗試塊

試驗試塊為不同厚度范圍的階梯試塊，陶瓷試塊為氧化鋁陶瓷階梯試塊，厚度范圍為4～20 mm，厚度增量為1 mm；鋁合金試樣厚度范圍為1～10 mm，厚度增量為1 mm的階梯試塊。

2 試驗結(jié)果與分析

射線穿透率為射線穿過物體后的射線強度與未穿過物體的射線強度之比。在此，射線強度利用探測器采集到的X射線光子數(shù)表示，其大小可由圖像處理軟件計算，步驟如下：首先對被檢測物體進行DR(數(shù)字射線)掃描；然后進行空白背景DR掃描；利用圖像處理軟件計算得到被檢測物體的射線穿透率。

2.1 陶瓷X射線穿透率與透照厚度曲線的制作

在射線源焦點尺寸(直徑)為0.8 mm，透照電壓為60 kV～90 kV，步增5 kV的試驗條件下，對陶瓷階梯試塊進行DR透照，并利用圖像處理軟件計算得到不同厚度陶瓷的X射線穿透率，檢測結(jié)果如表1所示。

由表1可看出，在同一透照電壓下，陶瓷X射線穿透率隨穿透厚度的逐漸增加呈相應減小的變化趨勢，當達到一定厚度時，在厚度變化不大的情況下，穿透率基本一致；同一厚度的陶瓷，隨著透照電壓的增加，X射線穿透率逐漸增大。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪制出不同透照電壓下陶瓷的X射線穿透率與透照厚度的關(guān)系曲線(見圖1)。

表1 不同透照電壓下陶瓷的X射線穿透率 %

圖1 不同透照電壓下陶瓷的X射線穿透率與穿透厚度的關(guān)系曲線

從圖1可知，陶瓷X射線穿透率與穿透厚度成指數(shù)變化關(guān)系，其擬合公式及相關(guān)性系數(shù)如表2所示(y為X射線穿透率，x為陶瓷透照厚度)。

由表2可知，在不同透照電壓下，陶瓷X射線穿透率與透照厚度的曲線擬合相關(guān)性系數(shù)R2的范圍為0.996～0.998，數(shù)值趨近于1，曲線擬合較好，表明陶瓷X射線穿透率與穿透厚度的指數(shù)擬合高度相關(guān)，從而明確該曲線擬合公式可以用于陶瓷在不同X射線透照電壓下數(shù)字射線穿透率的計算。

2.2 鋁合金X射線穿透率與透照厚度曲線的制作

在與陶瓷透照條件完全相同的情況下，對鋁合金階梯試塊進行DR透照，得到不同厚度鋁合金的X射線穿透率，結(jié)果見表3。

表2 不同透照電壓下的陶瓷曲線擬合公式

表3 不同透照電壓下鋁合金的X射線穿透率 %

由表3可以看出，在相同透照電壓下，隨著鋁合金穿透厚度的逐漸增加，X射線穿透率逐漸減??；相同透照厚度的鋁合金，隨著透照電壓的逐漸增加，X射線穿透率相應增大。根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)繪制鋁合金DR檢測的X射線穿透率與穿透厚度的關(guān)系曲線(見圖2)。

圖2 不同透照電壓下鋁合金X射線穿透率與穿透厚度的關(guān)系曲線

從圖2可知，鋁合金X射線穿透率與透照厚度呈指數(shù)變化關(guān)系，其擬合公式及相關(guān)性系數(shù)如表4所示。

表4 不同透照電壓下的鋁合金曲線擬合公式

由表4可以看出，不同透照電壓下，鋁合金X射線穿透率與穿透厚度的曲線擬合相關(guān)性系數(shù)R2的范圍為0.996～0.998，數(shù)值趨近于1， 表明鋁合金X射線穿透率與穿透厚度的指數(shù)曲線擬合高度相關(guān)，該曲線擬合公式可以用于鋁合金在不同X射線透照電壓下的數(shù)字射線穿透率的計算。

2.3 等效系數(shù)的確定

射線透照等效系數(shù)φ是指在一定的管電壓下，到相同的射線吸收效果時標準材料厚度T0與被檢測工件厚度T的比值，即φ=T0/T，T0與T互為等效厚度[5]。在相同的X射線穿透率下，所對應的透照厚度互為等效厚度。如果選擇X射線穿透率為30%，根據(jù)表2，4分別計算不同透照電壓下的陶瓷穿透厚度、鋁合金穿透厚度及相應的透照等效系數(shù)，透照厚度及等效系數(shù)計算結(jié)果如表5所示。

表5 陶瓷和鋁合金X射線透照厚度及等效系數(shù)計算結(jié)果

從表5可以看出，不同透照電壓下的陶瓷材料與鋁合金的射線透照等效系數(shù)不同，當透照電壓相差較大時，等效系數(shù)相差較大。

需注意的是，相同產(chǎn)品在不同檢測系統(tǒng)下的X射線穿透率不盡相同，在具體檢測過程中，各單位可根據(jù)自身實際情況，通過試驗繪制適合各單位的X射線穿透率與穿透厚度的關(guān)系曲線。

3 結(jié)語

通過試驗可以得出，不同透照電壓下的陶瓷材料與鋁合金數(shù)字射線檢測透照等效系數(shù)不相同，當透照電壓相差較大時，等效系數(shù)相差較大。介紹了一種確定陶瓷材料與鋁合金數(shù)字射線檢測透照等效系數(shù)的方法，即在透照條件相同的情況下，分別繪制出不同透照電壓下陶瓷及鋁合金的X射線穿透率與穿透厚度的關(guān)系曲線，得出在穿透率相同條件下陶瓷與鋁合金的等效厚度，進而確定其透照等效系數(shù)。該方法不僅簡單，而且實用性強，在X射線檢測中具有一定的實際意義，其他材料的射線檢測等效系數(shù)也可參考該方法確定。