多孔csic復(fù)合材料數(shù)字成像技術(shù)研究

多孔csic復(fù)合材料數(shù)字成像技術(shù)研究

c-sic材料具有低密度、耐高溫、氧化、耐腐蝕性、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空、航空航天、兵器等領(lǐng)域。X射線照相檢測(cè)根據(jù)射線穿透不同密度、厚度的材料時(shí)會(huì)引起穿透射線強(qiáng)度的變化,利用一定的成像介質(zhì)來(lái)接收穿透射線強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)材料的內(nèi)部缺陷。根據(jù)接收射線介質(zhì)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(zhì),將感光后的膠片通過(guò)顯影、定影后可顯示物體的影像,通過(guò)膠片的明暗程度反映透射射線強(qiáng)度的大小。數(shù)字照相采用IP板、探測(cè)器等作為成像介質(zhì),將透射射線轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像,圖像上灰度值的大小反映透射射線強(qiáng)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(zhì)的CR照相及以探測(cè)器作為成像介質(zhì)的DR本文以多孔的C/SiC復(fù)合材料平板構(gòu)件為研究對(duì)象,制作了用于表征復(fù)合材料射線照相靈敏度的對(duì)比試塊,分析了CR、DR兩種成像介質(zhì)的幾何不清晰度,研究了數(shù)字照相檢測(cè)參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,比較了CR、DR對(duì)非均質(zhì)復(fù)合材料的檢測(cè)效果。1數(shù)字光束檢測(cè)原理1.1射線穿透檢測(cè)數(shù)字射線檢測(cè)原理如圖1所示,X射線穿透被測(cè)物體后其強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化,用探測(cè)器或者IP板接收穿透被測(cè)物體的射線。當(dāng)接收射線介質(zhì)為線陣列或者面陣列探測(cè)器時(shí),可直接獲取反映X射線穿透能量強(qiáng)度分布的數(shù)字圖像。當(dāng)接收射線介質(zhì)為IP板時(shí),IP板上儲(chǔ)存有反映X射線穿透射線強(qiáng)度的潛影圖像,通過(guò)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(qiáng)度分布的數(shù)字圖像。當(dāng)強(qiáng)度均勻的X射線穿透待測(cè)物體時(shí),如果物體局部區(qū)域存在缺陷或結(jié)構(gòu)存在差異,它將改變穿透射線的強(qiáng)度分布,穿透射線的強(qiáng)度分布可通過(guò)數(shù)字圖像上的灰度分布來(lái)表征,通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分析即可實(shí)現(xiàn)待測(cè)物體的內(nèi)部質(zhì)量評(píng)定。1.2數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的不清晰度數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)能力可以用檢測(cè)技術(shù)的不清晰度來(lái)表征。對(duì)于數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù),其不清晰度=若按照?qǐng)D1的布置進(jìn)行X射線透照,射線源焦點(diǎn)尺寸為?,射線源到物體表面的距離為=?(則檢測(cè)技術(shù)的不清晰度為:(3)從公式(3)可以看出,數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的不清晰度除了取決于射線源焦點(diǎn)尺寸和采用的放大比外,還取決于射線轉(zhuǎn)換介質(zhì)的固有不清晰度。由于IP板、探測(cè)器的固有分辨率不同,在相同的射線源及幾何條件下對(duì)同一物體進(jìn)行透照得到的CR、DR圖像的清晰度也會(huì)不同。2平板構(gòu)件的制備C/SiC復(fù)合材料由于內(nèi)部存在較多孔隙導(dǎo)致密度分布不均勻,為了研究CR、DR對(duì)C/SiC復(fù)合材料的檢測(cè)效果,制作了用于評(píng)價(jià)C/SiC復(fù)合材料射線檢測(cè)質(zhì)量的對(duì)比試塊及C/SiC復(fù)合材料平板構(gòu)件。2.1比較測(cè)試對(duì)象的塊為了研究CR、DR對(duì)復(fù)合材料的檢測(cè)效果,制作了孔型對(duì)比試塊和槽型對(duì)比試塊,對(duì)比試塊采用與被測(cè)對(duì)象材質(zhì)相同或相似的材料來(lái)制作。(1)孔型試塊的制作為了比較CR、DR對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件孔洞的檢測(cè)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(duì)比試塊為了比較CR、DR對(duì)復(fù)合材料在不同參數(shù)下的透照靈敏度,制作了纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料槽型對(duì)比試塊,其結(jié)構(gòu)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(zhì)材料/c/cC/SiC復(fù)合材料的顯微CT圖像如圖4所示,材料內(nèi)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(zhì)材料。選取一塊針刺結(jié)構(gòu)的C/SiC復(fù)合材料平板構(gòu)件作為透照對(duì)象,厚度為24mm,采用CVI和PIP致密化工藝,該構(gòu)件的密度為2.5g/cm2.3像質(zhì)密度和試劑用量為了評(píng)價(jià)不同透照條件下的檢測(cè)效果,在透照成像區(qū)域放置本文中的槽型及孔型對(duì)比試塊,同時(shí)在復(fù)合材料檢測(cè)區(qū)域放置HB7684鋁質(zhì)絲型像質(zhì)計(jì),鋁質(zhì)像質(zhì)計(jì)的密度與被檢測(cè)復(fù)合材料平板構(gòu)件的密度較為接近。透照時(shí)射線源采用COMET公司的MXR-451HP/11射線源,焦點(diǎn)尺寸為0.4mm,透照焦距為1000mm。DR照相時(shí)采用PerkinElmer公司的XRD1621面陣探測(cè)器,探元尺寸為200μm。CR照相時(shí)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(gòu)件的x射線圖像分析圖5為復(fù)合材料平板構(gòu)件的X射線檢測(cè)圖像。從圖5(a)上可觀察到孔型、槽型對(duì)比試塊及HB7684絲型像質(zhì)計(jì)。圖5(b)、圖5(c)為平板構(gòu)件的局部X射線圖像,結(jié)合圖4可知,該類材料為非致密性材料,復(fù)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(xì)小缺陷的識(shí)別。圖5(d)為對(duì)比試塊區(qū)域的射線檢測(cè)圖像,可通過(guò)放置的對(duì)比試塊來(lái)研究CR、DR對(duì)非均質(zhì)C/SiC復(fù)合材料的檢測(cè)效果。3.1管電流及孔型對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響射線能量是射線檢測(cè)最重要的參數(shù),對(duì)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(cè)對(duì)象圖7為管電壓在90kV時(shí)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(shí)別出的最小細(xì)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(huì)增大,圖像的信噪比也會(huì)增加,射線檢測(cè)圖像上槽型及孔型對(duì)比試塊的邊界也越來(lái)越清晰,在進(jìn)行DR照相時(shí)在探測(cè)器曝光未過(guò)度的情況下宜選擇較大的管電流。由圖6、圖7可知,當(dāng)采用DR照相時(shí),管電壓、管電流均會(huì)影響DR的檢測(cè)結(jié)果。管電壓對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較大,選擇的管電壓必須保證能穿透復(fù)合材料才能獲取可用的檢測(cè)圖像;而管電流會(huì)影響曝光量,影響檢測(cè)結(jié)果的信噪比,信噪比較高時(shí)的圖像中細(xì)節(jié)邊緣更為清晰。3.2曝光量選擇試驗(yàn)圖8為不同管電壓下的CR檢測(cè)圖像,其曝光量均為9mA·min。由圖8可知,當(dāng)管電壓高于70kV時(shí)就可以獲取較為清晰的射線圖像,此時(shí)孔型試塊A、B上可識(shí)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(wú)法清晰識(shí)別,槽型B上可識(shí)別出的最淺溝槽深度為1.0mm。圖9為當(dāng)管電壓為70kV時(shí)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(shí)別出的最小細(xì)節(jié)特征均相同,但隨著曝光量的增大,圖像噪聲越來(lái)越小,槽型及孔型試塊的特征邊界也越來(lái)越清晰,CR照相時(shí)在IP板曝光未過(guò)度的情況下宜選擇較大的曝光量。由圖8、圖9可知,當(dāng)采用CR照相時(shí),管電壓、曝光量均會(huì)影響CR的檢測(cè)結(jié)果,管電壓對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較大,選擇的管電壓必須保證能穿透復(fù)合材料才能獲取可用的檢測(cè)圖像,而隨著曝光量的增大,CR圖像的信噪比也較高,圖像細(xì)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(gòu)件在各自最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)下的對(duì)比試塊區(qū)域CR、DR圖像,對(duì)于槽型對(duì)比試塊,DR透照只能清楚識(shí)別出深度為1.4mm的溝槽,而CR透照可以清楚識(shí)別出深度為1.0mm的溝槽;對(duì)于孔型對(duì)比試塊,DR透照只能識(shí)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(shí)別出深度為3mm,直徑為0.4mm的孔洞。對(duì)于同一構(gòu)件,CR圖像中能夠識(shí)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(cè)圖像。由公式(3)可以看出,射線照相檢測(cè)技術(shù)不清晰度與射線源、成像幾何位置及成像介質(zhì)相關(guān)。由于IP板的成像顆粒尺寸要小于平板探測(cè)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(fù)合材料適合采用高寬容度的CR、DR等方法對(duì)其內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),在相同的檢測(cè)條件下,CR能夠獲得