多孔csic復合材料數(shù)字成像技術研究

多孔csic復合材料數(shù)字成像技術研究

c-sic材料具有低密度、耐高溫、氧化、耐腐蝕性、高強度等優(yōu)點，廣泛用于航空、航空航天、兵器等領域。X射線照相檢測根據(jù)射線穿透不同密度、厚度的材料時會引起穿透射線強度的變化,利用一定的成像介質來接收穿透射線強度來評價材料的內部缺陷。根據(jù)接收射線介質的不同,可將X射線照相分為膠片照相及數(shù)字照相。膠片照相采用膠片作為成像介質,將感光后的膠片通過顯影、定影后可顯示物體的影像,通過膠片的明暗程度反映透射射線強度的大小。數(shù)字照相采用IP板、探測器等作為成像介質,將透射射線轉化為數(shù)字圖像,圖像上灰度值的大小反映透射射線強度的大小。常用的數(shù)字射線照相可分為以IP板作為成像介質的CR照相及以探測器作為成像介質的DR本文以多孔的C/SiC復合材料平板構件為研究對象,制作了用于表征復合材料射線照相靈敏度的對比試塊,分析了CR、DR兩種成像介質的幾何不清晰度,研究了數(shù)字照相檢測參數(shù)對檢測結果的影響,比較了CR、DR對非均質復合材料的檢測效果。1數(shù)字光束檢測原理1.1射線穿透檢測數(shù)字射線檢測原理如圖1所示,X射線穿透被測物體后其強度會發(fā)生變化,用探測器或者IP板接收穿透被測物體的射線。當接收射線介質為線陣列或者面陣列探測器時,可直接獲取反映X射線穿透能量強度分布的數(shù)字圖像。當接收射線介質為IP板時,IP板上儲存有反映X射線穿透射線強度的潛影圖像,通過專業(yè)的掃描器讀出IP板上的潛影圖像即可獲取反映穿透射線強度分布的數(shù)字圖像。當強度均勻的X射線穿透待測物體時,如果物體局部區(qū)域存在缺陷或結構存在差異,它將改變穿透射線的強度分布,穿透射線的強度分布可通過數(shù)字圖像上的灰度分布來表征,通過對數(shù)字圖像進行分析即可實現(xiàn)待測物體的內部質量評定。1.2數(shù)字射線檢測技術的不清晰度數(shù)字射線檢測技術的檢測能力可以用檢測技術的不清晰度來表征。對于數(shù)字射線檢測技術,其不清晰度=若按照圖1的布置進行X射線透照,射線源焦點尺寸為?,射線源到物體表面的距離為=?(則檢測技術的不清晰度為:(3)從公式(3)可以看出,數(shù)字射線檢測技術的不清晰度除了取決于射線源焦點尺寸和采用的放大比外,還取決于射線轉換介質的固有不清晰度。由于IP板、探測器的固有分辨率不同,在相同的射線源及幾何條件下對同一物體進行透照得到的CR、DR圖像的清晰度也會不同。2平板構件的制備C/SiC復合材料由于內部存在較多孔隙導致密度分布不均勻,為了研究CR、DR對C/SiC復合材料的檢測效果,制作了用于評價C/SiC復合材料射線檢測質量的對比試塊及C/SiC復合材料平板構件。2.1比較測試對象的塊為了研究CR、DR對復合材料的檢測效果,制作了孔型對比試塊和槽型對比試塊,對比試塊采用與被測對象材質相同或相似的材料來制作。(1)孔型試塊的制作為了比較CR、DR對復合材料構件孔洞的檢測能力,制作了如圖2所示的孔型試塊,在該試塊上加工一系列不同直徑的通孔,試塊尺寸如圖2所示,孔型試塊包含A、B兩組,厚度分別為3mm、5mm。(2)槽型對比試塊為了比較CR、DR對復合材料在不同參數(shù)下的透照靈敏度,制作了纖維增強陶瓷復合材料槽型對比試塊,其結構及尺寸如圖3和表1所示。槽型試塊包含A、B兩組,其厚度2.2非均質材料/c/cC/SiC復合材料的顯微CT圖像如圖4所示,材料內部存在較多的孔隙,且C/C、C/SiC基體分布不均勻,該類材料為非均質材料。選取一塊針刺結構的C/SiC復合材料平板構件作為透照對象,厚度為24mm,采用CVI和PIP致密化工藝,該構件的密度為2.5g/cm2.3像質密度和試劑用量為了評價不同透照條件下的檢測效果,在透照成像區(qū)域放置本文中的槽型及孔型對比試塊,同時在復合材料檢測區(qū)域放置HB7684鋁質絲型像質計,鋁質像質計的密度與被檢測復合材料平板構件的密度較為接近。透照時射線源采用COMET公司的MXR-451HP/11射線源,焦點尺寸為0.4mm,透照焦距為1000mm。DR照相時采用PerkinElmer公司的XRD1621面陣探測器,探元尺寸為200μm。CR照相時射線接收采用柔性的IP板,IP板掃描儀器為VMI公司生產(chǎn)的高性能掃描儀,掃描分辨率為200μm。3平板構件的x射線圖像分析圖5為復合材料平板構件的X射線檢測圖像。從圖5(a)上可觀察到孔型、槽型對比試塊及HB7684絲型像質計。圖5(b)、圖5(c)為平板構件的局部X射線圖像,結合圖4可知,該類材料為非致密性材料,復合材料存在明顯的密度不均,射線圖像上有大量的纖維紋路及孔隙,影響細小缺陷的識別。圖5(d)為對比試塊區(qū)域的射線檢測圖像,可通過放置的對比試塊來研究CR、DR對非均質C/SiC復合材料的檢測效果。3.1管電流及孔型對檢測結果的影響射線能量是射線檢測最重要的參數(shù),對射線照相靈敏度具有重要影響,選取的射線能量必須保證能穿透待測對象圖7為管電壓在90kV時不同管電流下的DR照相圖像,圖7中各種管電流下的槽型試塊及孔型試塊可識別出的最小細節(jié)特征均相同。由圖7可知,隨著管電流的增大,曝光量也會增大,圖像的信噪比也會增加,射線檢測圖像上槽型及孔型對比試塊的邊界也越來越清晰,在進行DR照相時在探測器曝光未過度的情況下宜選擇較大的管電流。由圖6、圖7可知,當采用DR照相時,管電壓、管電流均會影響DR的檢測結果。管電壓對檢測結果的影響較大,選擇的管電壓必須保證能穿透復合材料才能獲取可用的檢測圖像;而管電流會影響曝光量,影響檢測結果的信噪比,信噪比較高時的圖像中細節(jié)邊緣更為清晰。3.2曝光量選擇試驗圖8為不同管電壓下的CR檢測圖像,其曝光量均為9mA·min。由圖8可知,當管電壓高于70kV時就可以獲取較為清晰的射線圖像,此時孔型試塊A、B上可識別出的最小孔洞直徑分別為0.4mm、0.4mm,而槽型試塊A上的溝槽均無法清晰識別,槽型B上可識別出的最淺溝槽深度為1.0mm。圖9為當管電壓為70kV時不同曝光量下的CR圖像,由圖9可知,不同曝光量下的槽型試塊及孔型試塊可識別出的最小細節(jié)特征均相同,但隨著曝光量的增大,圖像噪聲越來越小,槽型及孔型試塊的特征邊界也越來越清晰,CR照相時在IP板曝光未過度的情況下宜選擇較大的曝光量。由圖8、圖9可知,當采用CR照相時,管電壓、曝光量均會影響CR的檢測結果,管電壓對檢測結果的影響較大,選擇的管電壓必須保證能穿透復合材料才能獲取可用的檢測圖像,而隨著曝光量的增大,CR圖像的信噪比也較高,圖像細節(jié)邊緣也更加清晰。3.3cr圖像不清晰度比選圖10為平板構件在各自最優(yōu)檢測參數(shù)下的對比試塊區(qū)域CR、DR圖像,對于槽型對比試塊,DR透照只能清楚識別出深度為1.4mm的溝槽,而CR透照可以清楚識別出深度為1.0mm的溝槽;對于孔型對比試塊,DR透照只能識別深度為3mm,直徑為0.6mm的孔洞,而CR透照則能較為容易地識別出深度為3mm,直徑為0.4mm的孔洞。對于同一構件,CR圖像中能夠識別出深度更淺的溝槽及直徑更小的孔洞,與DR照相相比,CR照相能夠獲取靈敏度更高的檢測圖像。由公式(3)可以看出,射線照相檢測技術不清晰度與射線源、成像幾何位置及成像介質相關。由于IP板的成像顆粒尺寸要小于平板探測器的探元尺寸,在射線源、焦距、透照方式都相同的情況下,選用幾何不清晰度較低的IP板可得到分辨率更高的數(shù)字圖像。4分辨率更高的圖像多孔C/SiC復合材料適合采用高寬容度的CR、DR等方法對其內部質量進行檢測,在相同的檢測條件下,CR能夠獲得