射線計(jì)算機(jī)成像技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)變壁厚產(chǎn)品檢測(cè)中的試驗(yàn)研究

劉 貞 任文堅(jiān) 彭東劍 劉國增 王永紅

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710100）

文 摘 針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)離心輪、渦輪靜子等厚度變化大的復(fù)雜激光選區(qū)熔化成形（SLM）鋼構(gòu)件在常規(guī)X射線膠片照相檢測(cè)（RT）時(shí)，由于膠片的寬容度低造成的檢測(cè)覆蓋率低，存在漏檢質(zhì)量隱患的問題，采用射線計(jì)算機(jī)成像技術(shù)（CR）對(duì)該類變截面厚度差在5～20 mm內(nèi)的鋼構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，CR檢測(cè)圖像寬容度是膠片照相檢測(cè)的3倍，檢測(cè)覆蓋率高；以離心輪線狀缺陷CR檢測(cè)為例，且通過CT和理化檢測(cè)驗(yàn)證證明，CR檢測(cè)具有與膠片照相檢測(cè)基本一致的缺陷檢測(cè)靈敏度、可靠性。

0 引言

射線檢測(cè)是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零部組件的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)的重要方法之一［1］，存在厚度差的被檢件在透照時(shí)，例如不等厚增材制造構(gòu)件、焊縫的返修區(qū)域等，會(huì)對(duì)管電壓的選擇帶來一定困難，還會(huì)影響一次透照區(qū)的選擇。射線檢測(cè)允許在一次透照時(shí)，被檢件在射線透照范圍內(nèi)有適當(dāng)?shù)暮穸炔?，如果厚度差過大，會(huì)導(dǎo)致底片黑度差較大，過高或過低的底片黑度均會(huì)影響射線檢測(cè)靈敏度，存在缺陷漏檢的隱患。

渦輪泵上的離心輪與渦輪靜子是新一代液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，工作時(shí)處于高壓、高溫、高轉(zhuǎn)速、大振動(dòng)等極限環(huán)境，其內(nèi)部質(zhì)量可靠性是設(shè)計(jì)人員最關(guān)注的指標(biāo)之一。該類產(chǎn)品的特點(diǎn)是具有異形復(fù)雜面多、變截面厚度差大。目前，采用常規(guī)X 射線膠片照相檢測(cè)技術(shù)（RT）對(duì)該類激光選區(qū)熔化成形（SLM）鋼構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，由于常規(guī)膠片圖像的厚度寬容度低，為達(dá)到滿足《GJB1187A—2001 射線檢驗(yàn)》A 級(jí)檢測(cè)要求的圖像質(zhì)量，一組曝光參數(shù)最多可兼容2 mm厚度差。離心輪與渦輪靜子等產(chǎn)品變截面厚度差大于15 mm，很難做到100%檢測(cè)覆蓋整個(gè)變截面厚度，尤其是筋條和R角部位易出現(xiàn)漏檢。

市面上的射線底片掃面儀在掃描焊縫類等厚度產(chǎn)品底片影像，使之?dāng)?shù)字化時(shí)，有一定效果；但掃描具有厚度差產(chǎn)品底片影像時(shí)，得到的數(shù)字圖像寬容度甚至低于底片影像，因此不建議使用。

射線計(jì)算機(jī)成像技術(shù)（Computed Radiography CR），是一種利用熒光體存儲(chǔ)板（IP板）的數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)靈敏度與常規(guī)射線膠片照相檢測(cè)相當(dāng)。由于IP 板的圖像動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)大于膠片，具有更大的厚度寬容度，可提高檢測(cè)的覆蓋性，再結(jié)合數(shù)字圖像處理，可提高產(chǎn)品的檢測(cè)可靠性。

1 CR技術(shù)原理及其特點(diǎn)

1.1 CR技術(shù)原理

CR 技術(shù)是一種利用IP 板的數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)，采用IP 板取代傳統(tǒng)的X 射線膠片來接受X 射線照射。CR 的成像要經(jīng)過影像信息的記錄、讀取、處理和顯示等步驟。CR 裝置包括影像IP 板采集、影像掃描及影像后處理［2～5］。

1.2 CR技術(shù)特點(diǎn)

CR 技術(shù)使用IP 板代替常規(guī)膠片得到數(shù)字圖像，具有如下技術(shù)特點(diǎn)：（1）CR 技術(shù)是一種數(shù)字化技術(shù)，便于一系列的數(shù)字化操作，如圖像處理、評(píng)定、存儲(chǔ)、查詢、遠(yuǎn)程診斷等；（2）CR 檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍大，可以達(dá)到10 000：1，檢測(cè)厚度寬容度大；（3）CR 技術(shù)的射線感光靈敏度高，所需曝光量低、曝光時(shí)間短，可以提高檢測(cè)效率；（4）CR 技術(shù)避免了復(fù)雜的膠片暗室沖洗的化學(xué)處理過程，無工業(yè)廢物；（5）檢測(cè)成本較低，適用于多場(chǎng)合應(yīng)用，外場(chǎng)作業(yè)操作簡便。

2 變壁厚產(chǎn)品透照討論

2.1 變壁厚產(chǎn)品透照

圖1 為變壁厚產(chǎn)品透照示意圖，透照厚度差ΔT = T1- T。

圖1 變壁厚產(chǎn)品透照示意圖Fig.1 Transmittance diagram of variable wall thickness product

射線檢測(cè)時(shí)，典型的曝光曲線函數(shù)關(guān)系為：

式中，E 為曝光量，K 為曝光曲線的斜率，C1為曝光曲線的截距。

膠片特性曲線的函數(shù)關(guān)系近似為：

式中，D 為底片黑度，G 為膠片特性曲線的梯度，C2為特性曲線的截距。

對(duì)式（1）式（2）進(jìn)行微分可得：

可得：

因此一次透照可覆蓋的厚度差ΔT與膠片梯度G和曝光曲線斜率K及黑度差ΔD有關(guān)。

2.2 膠片的感光特性曲線

膠片的感光特性是指膠片曝光后經(jīng)暗室處理所得底片的黑度（D）與相對(duì)曝光量（lgE）之間的關(guān)系，可用膠片特性曲線來表示（圖2）。

圖2 膠片感光特性曲線Fig.2 Film photosensitivity curve

膠片特性曲線由5 部分組成，包括：（1）AB 為曝光遲鈍區(qū)，曝光量增加而黑度基本不變；（2）BC 為曝光不足區(qū)，曝光量增加而黑度增加緩慢；（3）CD 為曝光正常區(qū)，為正常進(jìn)行射線檢測(cè)的區(qū)域；（4）DE 為曝光過度區(qū)，隨著曝光量增大，黑度增大緩慢，達(dá)到頂點(diǎn)E 時(shí)斜率為0；（5）EF 為負(fù)感光區(qū)，曝光極端過度時(shí)，黑度下降，膠片本底灰霧度增加。

射線檢測(cè)時(shí)，正常曝光區(qū)對(duì)應(yīng)的曝光量范圍稱為膠片的寬容度，CD 區(qū)域的梯度大則寬容度較小，梯度小則寬容度較大。

2.3 曝光曲線

采用不銹鋼階梯試塊制作曝光曲線，該曝光曲線以透照電壓為參數(shù)，繪制出焦距為600 mm 曝光量和透照厚度的關(guān)系。圖3 可知，在同一曝光量區(qū)間內(nèi)，透照電壓越高可獲得的透照厚度差越大。

圖3 不銹鋼曝光曲線Fig.3 Exposure curve of stainless steel

由于膠片及人眼的黑度分辨率有限，參照GJB1187A—2001 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，底片黑度范圍為1.7～4.0，曝光量差值和膠片梯度G 確定后，同一電壓對(duì)應(yīng)的厚度差范圍有限。

2.4 兩種檢測(cè)方法對(duì)比分析

圖4為膠片與IP板的特性對(duì)比，可見IP板的線性區(qū)間遠(yuǎn)大于膠片，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)10 000：1，檢測(cè)厚度寬容度大，一次曝光可獲得大范圍不同厚度的材料的影像，膠片則需要多次不同能量的透照才能完成。

圖4 膠片與IP板特性對(duì)比Fig.4 Film and IP board characteristics comparison

采用常規(guī)射線透視時(shí)，底片選擇最優(yōu)的情況下，厚度差范圍已經(jīng)確定，為保證變壁厚產(chǎn)品的檢測(cè)靈敏度，必須進(jìn)行分區(qū)透照，使各個(gè)區(qū)域的厚度差滿足要求。對(duì)于變壁厚的產(chǎn)品必須選擇不同電壓多次透照才能保證檢測(cè)覆蓋率，由于厚度差大，導(dǎo)致檢測(cè)效率低。膠片的有效曝光范圍（響應(yīng)范圍）小，一次透照可檢測(cè)的厚度差小，而數(shù)字射線照相檢測(cè)技術(shù)由于響應(yīng)范圍大一次透照可以獲得更大的厚度差范圍，從而提高檢測(cè)效率。

3 檢測(cè)試驗(yàn)研究

3.1 不銹鋼板檢測(cè)靈敏度對(duì)比試驗(yàn)

分別采用CR 及膠片照相技術(shù)，對(duì)5 mm SLM 不銹鋼板進(jìn)行靈敏度對(duì)比檢測(cè)試驗(yàn)，條件對(duì)照見表1。

表1 試驗(yàn)條件Tab.1 Test condition

如圖5所示，兩種檢測(cè)方法所獲得的圖像其像質(zhì)計(jì)靈敏度都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，均可顯示15 號(hào)絲。但對(duì)于不銹鋼板焊縫，CR 檢測(cè)獲得焊縫部位數(shù)字圖像經(jīng)過一定的圖像處理其裂紋缺陷的對(duì)比度高于膠片透照的底片影像，影像更清晰。

圖5 不銹鋼板檢測(cè)靈敏度對(duì)比試驗(yàn)Fig.5 Comparison test of detection sensitivity of stainless steel plate

3.2 階梯試塊檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)

分別采用CR 檢測(cè)技術(shù)和膠片透照對(duì)厚度差為2 mm 的SLM 不銹鋼階梯試塊進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖6 所示。可以看出膠片透照一次曝光僅能看清楚兩個(gè)階梯，厚度差僅2 mm；CR 一次曝光可看清楚7個(gè)階梯，厚度差達(dá)10 mm。

圖6 階梯試塊對(duì)比試驗(yàn)Fig.6 Step block contrast test

3.3 SLM鋼構(gòu)件檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)

SLM 不銹鋼離心輪在射線檢測(cè)上下蓋板時(shí)，射線束穿過的產(chǎn)品厚度范圍在10～30 mm。圖7 可以看出，采用膠片透照葉片與蓋板連接處、中柱部位的圖像影像兼容不到，存在缺陷漏檢隱患；而采用CR透照蓋板、葉片與蓋板連接處結(jié)構(gòu)成像清晰，CR 圖像的成像范圍是膠片成像面積的3倍以上。

圖7 離心輪對(duì)比試驗(yàn)Fig.7 Centrifugal wheel contrast test

SLM 不銹鋼渦輪靜子葉片屬于漸變厚度結(jié)構(gòu)，厚度范圍3～9 mm。膠片透照一次曝光獲得渦輪靜子葉片底片圖像的成像范圍比較小，只可檢出每個(gè)葉片面積20%的影像［圖8（a）］。渦輪靜子葉片CR檢測(cè)［圖8（b）］，一次曝光可檢測(cè)覆蓋每個(gè)葉片面積70%的影像，圖像寬容度遠(yuǎn)大于膠片照相檢測(cè)圖像，提高了檢測(cè)覆蓋性和可靠性。

圖8 渦輪靜子葉片對(duì)比試驗(yàn)Fig.8 Turbine stator blade contrast test

3.4 產(chǎn)品缺陷對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

3.4.1 離心輪線狀缺陷的CR檢測(cè)

檢測(cè)工序中對(duì)某臺(tái)離心輪進(jìn)行膠片透照檢測(cè)時(shí)，在葉片根部位置發(fā)現(xiàn)一處疑似缺陷的線狀顯示，長度2.5 mm。對(duì)該缺陷部位進(jìn)行剖切取樣［圖9（a）］，在表1 的檢測(cè)條件下對(duì)該葉片取樣進(jìn)行CR 檢測(cè)［圖9（b）］。經(jīng)測(cè)量，CR 檢測(cè)圖像中的線狀缺陷長度為2.5 mm，與膠片透照一致。

圖9 離心輪葉片取樣及CR圖像Fig.9 Centrifugal vane sampling and CR image

3.4.2 離心輪線狀缺陷CT及理化驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證該線狀影像以及缺陷深度，進(jìn)行了CT 檢測(cè)及理化分析。對(duì)葉片發(fā)現(xiàn)線狀顯示區(qū)域進(jìn)行CT 剖切檢查，確認(rèn)該線狀顯示最大深度距葉片表面0.58 mm，如圖10 圓圈內(nèi)所示，證明CR 檢測(cè)圖像中的線狀影像是缺陷影像。

圖10 離心輪葉片CT檢測(cè)結(jié)果Fig.10 CT results of centrifugal wheel blade

將葉片試樣送理化分析，將葉片表面拋光至表層0.4 mm 處，可見缺陷樣貌（圖11），存在斷續(xù)分布缺陷，長度2.5 mm，最寬處約0.1 mm，各斷續(xù)缺陷邊緣鈍化，相對(duì)圓滑，與CR檢測(cè)中的缺陷影像相符合。

圖11 離心輪葉片缺陷宏觀樣貌Fig.11 Macroscopic appearance of centrifugal wheel blade defects

通過以上對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)可知，CR 對(duì)線狀較小缺陷能進(jìn)行有效檢測(cè)。

4 結(jié)論

（1）在同等條件下CR 與膠片透照具有相同的檢測(cè)靈敏度，CR 圖像經(jīng)數(shù)字圖像處理后，在目視下缺陷影像更容易識(shí)別。（2）CR 檢測(cè)圖像寬容度大，對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)離心輪、渦輪靜子等截面厚度變化大的SLM 鋼構(gòu)件檢測(cè)，CR 檢測(cè)覆蓋率是膠片照相檢測(cè)的3倍以上。（3）CR能對(duì)SLM 離心輪線狀較小缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。（4）CR 檢測(cè)可作為現(xiàn)階段膠片透照檢測(cè)的一項(xiàng)輔助檢測(cè)手段，提高產(chǎn)品檢測(cè)的覆蓋率。