嘉峪检测网 2024-12-24 16:15
导读：为理清现行各标准对钛合金产品增感屏的使用要求，西安航空职业技术学院联合陕西省特种设备检验检测研究院的研究人员对钛合金增材制造阶梯试块实施不同条件的射线检测。
X射线或γ射线束穿过胶片时，通常仅有不到1%的能量被吸收。使用射线增感屏可以使穿过胶片的X或γ射线能量得以充分利用。工业射线照相常用铅箔增感屏，其具有两个基本功能，一是铅中发射的大量电子和产生的部分二次射线，可增加胶片上的照相作用，减少曝光时间；二是吸收能量较小的散射线，减弱散射作用，从而使射线检测图像具有更高的对比度和清晰度。
钛合金材料具有比强度高、耐腐蚀、生物适应性好等优势，在航空航天、生物材料、兵器核能等工业领域得到了广泛的应用。钛合金增材制造存在孔洞、未熔合等缺陷，使用射线检测方法可以有效地确保钛合金产品的质量。
钛元素为22号元素，原子序数和密度都较铁元素的小，因此其等效系数约为铁的二分之一，在实际使用中，钛合金构件薄壁结构较多，因此透照管电压往往不超过100 kV。
为理清现行各标准对钛合金产品增感屏的使用要求，西安航空职业技术学院联合陕西省特种设备检验检测研究院的研究人员对钛合金增材制造阶梯试块实施不同条件的射线检测，采用改变透照管电压、使用单增感屏、使用双增感屏、不使用增感屏等方法，得到不同增感条件下底片黑度，然后分析铅箔增感屏在钛合金增材产品射线检测中的增感效果，旨在为实际工程应用提供参考。
现行标准对钛合金射线检测增感屏使用的规定
对比国内外现行几个应用较广泛的射线检测标准可知，钛合金射线检测时，增感屏是否使用以及金属箔厚度是根据X射线机管电压来确定的，对钢材检测时的增感屏使用的规定较为详细，对钛合金使用增感屏的规定存在较大区别。
表1 国内外相关标准关于钛合金射线检测增感屏使用的规定
如能源标准NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第二部分 射线检测》、国军标GJB 1187A—2001《射线检验》和航空标准HB 20160—2014《X射线照相检测》在划分管电压时一致，均将管电压不大于100 kV作为第一档，符合这一情况时，前屏可以不用，但前后屏金属箔厚度略有差别。
国标GB/T 19943—2005《无损检测 金属材料X和伽玛射线照相检测 基本规则》、国际标准化组织标准ISO 5579：2013(E)《无损检测 金属材料用X和γ射线照相检验 基本规则》、美国机械工程师学会标准ASTM E1032—2019《用工业X射线胶片对焊接件进行射线照相检验的标准实施规程》也依据管电压选用增感屏。
根据上述标准，钛合金射线透照时，前后屏是否使用及金属箔厚度选择，各标准规定不尽相同。
试验方案
为验证管电压对增感效果的影响，以及相同管电压下不同增感屏使用情况对增感效果的影响，设置以下试验方案：使用ISOVOLT TITAN E320型射线机，焦点尺寸5.5 mm，内置滤波板3.0 mm/Be，曝光量5 mA·min，焦距1000 mm，底片自动处理（6.7 min），透照方式为垂直透照，增感屏为Pb（0.03 mm），显影温度28 ℃，底片选用富士IX50XD（C3）和柯达AA400（C5）。在不同管电压下对增材制造的钛合金（TA15）阶梯试块（阶梯相隔2 mm）进行透照，改变增感屏（双/单/无）使用情况，对透照底片黑度进行记录。
1、细颗粒胶片增感效果
使用富士IX50XD胶片，设置管电压为60~160 kV进行检测得到前后双屏、单屏（不用前屏，只用后屏）和无屏条件下检测不同厚度钛合金阶梯试块的黑度，黑度随阶梯试块厚度变化曲线如图1所示。
图1 使用富士IX50XD胶片时黑度随阶梯试块厚度变化曲线
由图1可知，管电压小于70 kV时，阶梯厚度为2 mm，双屏、单屏、无屏三种情况下黑度基本相同，双屏黑度略低于单屏和无屏黑度，这是由于射线能量较低，前屏吸收的射线量较多。
当管电压达到80 kV时，阶梯厚度为2 mm，双屏、单屏黑度一致，且比无屏黑度大0.35。80 kV管电压以下时，随着透照厚度增加，双屏、单屏、无屏三种情况下的透照黑度逐渐趋于一致。管电压大于80 kV时，双屏黑度大于单屏黑度，单屏黑度大于无屏黑度。管电压为90 kV时，双屏黑度与单屏黑度差值约为0.2，单屏黑度与无屏黑度差值约为0.3，随着管电压增加，双屏黑度、单屏黑度及无屏黑度两两之间差值增大。管电压相同时，随着透照厚度增加，双屏黑度、单屏黑度及无屏黑度数值逐渐接近。
此时有增感效果公式：S=D/D0×100%，在固定管电压透照某一厚度钛合金工件时，将增感效果S定义为单增感屏或双增感屏底片黑度D与无增感屏底片黑度D0之比。
富士IX50XD胶片在不同透照电压下，单增感屏或双增感屏相较于不使用增感屏的增感效果如表2所示。
表2 IX50XD胶片在不同管电压下的增感效果
由表2可知，管电压小于80 kV时，单增感屏或双增感屏增感效果接近或不如无增感屏效果；管电压超过80 kV时，单增感屏或双增感屏增感效果迅速提升，双增感屏增感效果优于单增感屏效果；管电压为80~140 kV时，同一管电压下随着透照厚度增加增感效果先增大后减小；管电压为160 kV时，增感效果随着透照厚度增加而增强；相同透照厚度时，增感效果随着管电压增加而增强。
当管电压小于80 kV时，前屏对主射线的吸收、散射的作用同样减小，必然降低了到达胶片的总辐射强度，因此使用前屏会导致底片黑度小于不用前屏时，降低了屏的纯增强效果。因此若入射射线不具有足够的穿透能力，则实际所需曝光时间甚至会超过不用屏时的曝光时间。
2、中颗粒胶片的增感效果
使用锐珂AA400胶片，设置管电压为60~140 kV进行检测，得到前后双屏、单屏（不用前屏，只用后屏）和无屏条件下各厚度阶梯试块的黑度值，其中阶梯厚度为2 mm处，前后双屏90 kV、100 kV，单增感屏100 kV的黑度超过4.5，由于黑度计测量上限为4.5，所以将黑度值记为4.5，不同厚度位置黑度分布曲线如图2所示。
图2 使用锐珂AA400胶片时不同厚度阶梯试块的黑度分布曲线
由图2可以看出，管电压在100 kV以下时锐珂AA400胶片与富士IX50XD胶片的黑度分布情况类似。同样出现了在管电压70 kV以下时，双屏、单屏增感效果不明显这一情况，三种增感条件下黑度基本相同，双屏黑度略低于单屏和无屏黑度。
由于锐珂AA400胶片感光速度高于富士IX50XD胶片，所以其他透照情况相同时，前者黑度高于后者。
AA400胶片在不同电压下的增感效果如表3所示，可知AA400胶片在不同电压下的增感效果规律类似于富士IX50XD胶片；管电压小于80 kV时，单增感屏或双增感屏增感效果接近或不如无增感屏；管电压大于80 kV时，单增感屏或双增感屏增感效果迅速增强，双增感屏增感效果优于单增感屏；管电压为80~120 kV时，同一管电压下，随着透照厚度增加，增感效果先增强后减弱；管电压为140 kV时，增感效果随着透照厚度增加而增强；相同透照厚度，增感效果随着管电压增加而增强。
表3 AA400胶片在不同电压下的增感效果
试验结果分析
通过以上试验可以发现，使用某一管电压（60~140 kV）对钛合金增材阶梯试块透照时，增感屏的使用情况对钛合金增材产品透照的黑度有以下影响。
透照电压小于80 kV时，不论使用细粒或中粒感光速度胶片，双屏、单屏或无屏增感得到的胶片黑度相差不大。由于透照射线能量较低，前屏吸收较大，使用前屏反而会降低黑度，双屏增感效果差于单屏或无屏增感效果。
透照电压不大于100 kV时，随着透照厚度增加，增感效果逐渐下降，当透照厚度增加到一定数值时，双屏、单屏增感效果接近于无屏效果。
透照电压不小于80 kV时，透照厚度小于10 mm，不论使用细粒或中粒感光速度胶片，双屏、单屏增感效果均优于无屏增感效果，其中双屏增感效果最好。
这是因为用于增感的电子主要来源于X射线作用于铅箔的光电效应。一方面，入射X射线的强度会影响光电效应。当入射X射线的强度增加时，单位时间内照射到铅箔表面的光量子数增加，导致单位时间内逸出的光电子数增加。由于X射线的强度会随着射线机管电压的增加而增加，相对应的由光电效应产生的光电子数也随之增加，增强光电效应。
另一方面，入射X射线的能量会影响光电效应。一般情况下，当入射X射线的能量增加时，光电截面（即光与物质发生光电效应的概率）会减小，因而射线机管电压增加会导致入射X射线的能量增加，进而导致光电截面减小，减弱光电效应。但考虑物质的原子结构，当入射电子能量等于外层电子结合能时，光电截面会陡然增加。
在以上两方面因素综合作用下，管电压增加至80 kV时，入射X射线的强度增大并逐渐占优，由光电效应逸出的电子所导致的增感效果显著增强。
结论
为明确钛合金产品增感屏使用要求，对其增材制造阶梯试块进行射线检测。通过改变透照管电压、增感屏使用情况，得到不同条件下底片黑度。结果表明，不同管电压范围时，增感屏使用方式不同。即对钛合金增材产品实施射线检测时，考虑背散射情况，增感屏前后屏是否使用可以按以下原则划分：
管电压不大于80 kV时，可以不使用前屏、后屏，若背散射较强，可以使用后屏或在暗袋后加铅板吸收背散射；当管电压为80~100 kV时，可以不使用前屏，应考虑使用后屏；当管电压不小于100 kV时，使用前后屏增感方式。
作者：史洪源1，张嘉毅1，李吉利2，周鹏1，李杰1
工作单位：1.西安航空职业技术学院
2. 陕西省特种设备检验检测研究院
第一作者简介：史洪源，硕士，副教授，主要研究方向为射线检测、超声检测等无损检测技术。
来源：《无损检测》2024年12期
来源：无损检测NDT
