增材制造材料在航空航天、国防军工等领域得到了广泛应用^[1]。其产品的不同主要表现在尺寸大小、几何结构、厚度上的不同^[2]。尺寸大小可从数毫米到数米；几何结构可从简单的板状结构到具有内部网状、流道的复杂结构；厚度主要集中在1 mm至50 mm^[3-4]。增材制造材料零件在作为成品交付前,需进行射线检测并评定缺陷是否在容许范围内,该方法是保证零件质量的必备手段^[5]。

目前国内外零件生产厂商一般会根据自身零件的特点,研究提出相应的检测技术和质量控制要求,形成企业标准。当需要交由二方、三方机构检测时,按各自的企业标准进行审核、确认和执行^[6]。国外对此类零件的射线检测,绝大多数采用数字技术,可选的技术主要有工业CT、X射线实时成像（DR）、计算机射线照相（CR）3种。其中,工业CT可获得高精度的3D图像^[7],但总体检测效率偏低,多用于产品研究开发阶段或者复杂内部结构观测、细小缺陷检查等比较特殊、重要的情形；对于规模化生产的重要零件,一般采用工业CT抽检。绝大多数零件的日常射线检测,主要选择DR或者CR^[8]。

国内的射线检测,尤其是航天军工零件的最终验收检测,基本上指定采用射线胶片照相（RT）方法^[9]。主要原因一方面是RT历史悠久,灵敏度、分辨率等主要指标优越,技术标准成熟丰富,认可度高；另一方面数字化技术（DR、CR）多数情况下存在灵敏度或分辨率偏低、有力的支撑数据偏少、技术标准不完善、设备普及率低等实际问题^[10]。

随着时代的发展和技术的进步,射线检测数字化技术也在不断进步。调研表明,CR在灵敏度和分辨率指标上与RT接近或相当^[11-12]。CR检测结果为数字图像,具有容易观察和保存、传输方便、可实现远程、多人共同诊断等优点。因此,应充分利用RT和CR的各自优势^[13],使二者在增材制造材料检测过程中相互补充,以提升射线检测质量和能力。

1.   试验参数及试件制备

1.1   试件制备

试验所用试件的材料为增材制造中常用材料钛合金TC4,平板状,其透照区域均为120 mm×80 mm（长×宽）,试件厚度及对应编号如表1所示。

Table  1.  试件厚度及对应编号

试件编号	试件厚度/mm	数量/块
1	1.5	1
2	3.0	1
3	5.0	1
4	7.0	1
5	10.0	1
6	18.0	1
7	27.0	1
8	50.0	1

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1.2   试验目的与参数

为分析增材制造钛合金材料TC4检测中影响因素、透照参数对灵敏度、分辨率两大指标结果的影响关系,对不同板厚的试件,按照不同影响因素及透照参数的组合进行了测试。其中,扫描参数直接按最优配置,以确保得到合适的其他影像指标（灰度、信噪比）合适。

透照电压分为高中低三挡。高压相当于100%的RT标准允许的最高管电压；中压相当于80%的RT标准允许的最高管电压；低压相当于67%的RT标准允许的最高管电压。曝光量分别选择60,40,20 mA·min进行测试。

具体试验条件及参数组合如表2所示（每个厚度分3种电压透照,对应的曝光量分别为60,40,20 mA·min,PMT为扫描信号增益,无量纲,激光功率为参数数值,无量纲）。其中,CR配套专用感光成像器材为数字成像板IPs（Digital Imaging Plates）。IP使用存储磷光体,拍摄时其捕捉并保持与电离辐射曝光成正比的潜影；然后进行扫描仪数据读取,用红色激光扫描,激发蓝光的发射,这种现象称为光激励发光,通过读出潜影并在计算机中显示射线检测图像。IP是一种柔性平板,可装入柔性或刚性盒中,并与适当厚度的金属屏幕一起使用。

Table  2.  试验条件及参数

试件编号	试件厚度/mm	IP类型	金属屏	透照电压/kV	扫描参数
					PMT1=PMT2	激光功率	分辨率/μm
1	1.5	蓝板	无,Pb0.03	50,60,75	4.0	14	25
2	3.0	蓝板	无,Pb0.03	55,67,80	4.0	14	25
3	5.0	蓝板	无,Pb0.03	60,75,90	4.0	14	25
4	7.0	蓝板	无,Pb0.03	65,80,100	4.0	14	50
5	10.0	蓝板、白板	无,Pb0.03	70,90,110	4.0	14	50
6	18.0	蓝板、白板	无,Pb0.03	90,120,150	4.0	14	50
7	27.0	蓝板、白板	Pb0.03,Pb0.1	120,150,180	4.0	14	80
8	50.0	白板	Pb0.03,Pb0.1,Pb0.2	180,220,260	4.0	14	80

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目前常用的IP分为高分辨率板和超高分辨率板。高分辨率板分辨率可达40 μm,感光材料呈灰白色,俗称“白板”,多用于较高电压（180 kV以上）检测较厚工件的情况；超高分辨率板分辨率可达25 μm,感光材料呈淡蓝色,俗称“蓝板”,多用于较低电压（200 kV以下）检测较薄工件的情况。

2.   试验结果与分析

2.1   成像板类型与灵敏度、分辨率关系

IP蓝板和白板分别可获得的最优成像指标如图1,2所示,可以看出,对于增材制造钛合金材料的CR检测,当试件厚度小于18.0 mm时,蓝板在灵敏度和分辨率上明显优越于白板；当试件厚度大于18.0 mm时,白板灵敏度略优,但分辨率略低,二者在18.0~50.0 mm厚度时,总体成像效果相当。

图  1  不同类型IP的试件厚度–最优灵敏度关系曲线

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图  2  不同类型IP的试件厚度–最优分辨率关系曲线

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2.2   金属屏与灵敏度、分辨率关系

金属屏固定为铅屏时,其与灵敏度、分辨率的最优关系曲线如图3,4所示。无论灵敏度还是分辨率指标,当试件厚度小于18.0 mm时,不加铅屏时的效果好；当试件厚度大于18.0 mm时,加铅屏时的效果好；当试件厚度小于5.0 mm且加铅屏时,分辨率明显降低,只能达到13D。

图  3  金属屏的试件厚度–最优灵敏度关系曲线

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图  4  金属屏的试件厚度–最优分辨率关系曲线

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2.3   透照电压及曝光量的使用

不同透照电压及曝光量时,试件厚度与灵敏度、分辨率的最优关系曲线如图5,6所示。在试验中,参照RT标准给出的相应厚度的最高允许电压,分别设置了低压大曝光量、中压中曝光量、高压小曝光量的透照组合。

图  5  不同透照电压及曝光量下试件厚度–最优灵敏度关系曲线

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图  6  不同透照电压及曝光量下试件厚度–最优分辨率关系曲线

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由图5,6可以看出,灵敏度影响方面,低压大曝光量、中压中曝光量二者相当,最高都可以达到19号钛丝,效果较好；高压小曝光量时,灵敏度有明显下降,最高为18~19号钛丝。分辨率影响方面,低压大曝光量、中压中曝光量、高压小曝光量三者基本无差别。

2.4   扫描参数对成像质量的影响

扫描参数中PMT的数值越小,扫描引入的电噪声越小；扫描激光功率越小,激光斑点越小,越利于得到高的扫描精度；扫描分辨率指扫描时机械及激光点的移动步距。一般情况下,PMT和扫描激光功率应与曝光量匹配,使扫描得到的CR电子图像灰度在20 000~50 000范围即可。PMT常用数值一般为4.2~4.8；激光功率常用数值一般为10~20；扫描分辨率一般要求达到空间分辨率的80%~100%。

2.5   CR与RT成像指标对比

不同增材制造钛合金材料试件厚度的CR与RT测试结果及其与相关标准要求的对比如表3所示,可以看出CR最优灵敏度与RT的相当,满足标准B级要求,但应注意日常检测时,试件情况多变,灵敏度往往会低1个丝号左右,CR分辨率总体略低于RT的。

Table  3.  CR与RT成像指标及其与标准要求的对比

成像指标	项目	钛合金试件厚度/mm
		1.5	3.0	5.0	7.0	10.0	18.0	27.0	50.0
灵敏度/丝号	CR	19	17~18	17	16~17	16	14~15	13~14	9
	RT	19	17~18	17	16	15	13	12	10
	标准要求	19	17	16	15	14	13	12	9
分辨率/线对	CR	13D+	13D+	13D	13D	13D	12D	12D	9D
	RT	13D++	13D++	13D+	13D+	13D	12D	11D	10D
	标准要求	无

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2.6   工艺参数控制图及应用说明

综合各影响因素关系曲线及成像指标情况,提出增材制造钛合金CR检测工艺参数控制图如图7所示,图中包含了允许的最高管电压和不同技术级别推荐的曝光区。

图  7  增材制造钛合金CR检测工艺参数控制图

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由图7可直接查出垂直透照、焦距f为1 500 mm时的检测工艺参数,当倾斜透照时,应根据倾角计算实际穿越厚度作为检测厚度；当f值变化时,应根据平方反比公式计算曝光量。图7适用于厚度比较均匀的增材制造钛合金材料的CR检测,当单次曝光厚度变化比达到1.4以上时,允许最高管电压增加30 kV。图7中允许的最高管电压也是A级检测技术推荐的最高管电压,相应曝光量A级推荐值为15~30 mA·min,B级推荐值为40~60 mA·min。

2.7   单次曝光有效检测范围分析

使用铝合金阶梯试件和与其外观尺寸相同,厚度为20 mm的垫板,对CR和RT进行了单次曝光试验,阶梯试件形状及尺寸如图8所示。

图  8  铝合金阶梯试件形状及尺寸示意

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2.7.1   CR的单次曝光结果及解释

铝阶梯试件及垫板+铝阶梯试件的CR单次曝光成像结果如图9,10所示,可见,通过窗宽窗位的调整,可以有效检测出全部10个阶梯,影像指标接近于B级。

图  9  铝阶梯试件CR单次曝光成像结果（4~22 mm厚度）

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图  10  垫板+铝阶梯试件CR单次曝光成像结果（24~42 mm厚度）

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2.7.2   RT的单次曝光结果及解释

铝阶梯试件及垫板+铝阶梯试件的RT单次曝光成像结果如图11,12所示。由图11,12可见,铝阶梯试件RT可以有效检测出4~5个阶梯；垫板+铝阶梯试件RT可以有效检测出全部10个阶梯,影像指标略优于CR指标。

图  11  铝阶梯试件RT单次曝光成像结果（4~22 mm厚度）

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图  12  垫板+铝阶梯试件RT单次曝光成像结果（24~42 mm厚度）

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2.7.3   有关单次曝光结果的分析讨论

比较而言,单次曝光CR可适应试件厚度变化比率达5的检测,RT可适应试件厚度变化比率达2.5的检测。

2.8   缺陷检出对比

在前述数据曲线基础上,使用优化参数对增材制造材料点状和线状缺陷进行CR与RT的检测试验,并将结果进行对比。

2.8.1   点状缺陷检测试验对比

点状缺陷的RT及CR检测图像如图13,14所示,可知,CR与RT对点状缺陷的分布、数量、最小缺陷尺寸的检出能力相当。

图  13  点状缺陷的RT底片翻拍图

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图  14  点状缺陷的CR检测电子图像

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2.8.2   线状缺陷检测试验对比

在此次试验中,RT和CR的最优检出缺陷均为槽宽0.1 mm,槽深0.09 mm和槽宽0.2 mm,槽深0.06 mm的两种线状缺陷,二者的检测结果如图15,16所示,可知检测效果基本相当,但CR影像略显断续而RT影像相对连续。

图  15  线状缺陷的RT底片翻拍图

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图  16  线状缺陷的CR检测电子图像

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2.8.3   CR对增材制造材料的检测

CR对增材制造材料的检测结果如图17,18所示,图17,18均经过其他射线检测技术的比对,在缺陷的有无、分布、数量、尺寸上,CR影像与其他射线技术的影像情况相当,验证了CR检测的有效性。

图  17  铝合金试件的CR检测结果（经DR对比验证）

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图  18  铝合金试件的CR检测

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2.9   小结

从影响因素关系曲线得到的CR检测参数控制要求如下。

（1）当增材制造钛合金材料厚度小于18 mm时,IP应使用蓝板；在18~50 mm厚度时,蓝板白板均可。

（2）当增材制造钛合金材料厚度小于18 mm时,不应使用金属屏；在18~50 mm厚度时,应使用厚度为0.03 mm的铅屏。

（3）当对增材制造钛合金材料影像质量要求较高时（相当于RT的B级要求）,应选用低电压或中等电压、较大曝光量（40 mA·min以上）进行透照；当对影像质量要求一般时（相当于RT的A级）,可选用较高电压、小曝光量（15~30 mA·min）进行透照。

（4）针对增材制造钛合金材料检测,PMT一般设置为4.2~4.8,激光功率为12~18,可满足绝大多数情况下的CR检测灰度和信噪比要求,更高检测要求时,可适当减小二者的数值,但应相应地加大透照曝光量。扫描分辨率的设置遵循检测对分辨率的要求,其数值不应大于要求的分辨率；如要达到13D+的分辨率,扫描分辨率数值应不大于50,且取80%的数值（40）可确保效果。

增材制造材料的CR检测优点为：① 单次曝光有效成像厚度范围明显比RT的大；② 在材料厚度较薄时,电子图像比人眼观察效果好。

因此,对于增材制造材料,CR检测主要适应于厚度多变且总体厚度不太大（30 mm以内）的检测场合。

3.   结论

对于增材制造材料的检测,胶片照相检测（RT）与射线计算机照相检测（CR）各具特色,应充分发挥各自优点,以提升总体检测质量。其中,RT灵敏度、分辨率等主要影像指标优异,应作为射线检测的首选技术。在以下一些特殊情况下,宜选用CR检测或优先考虑CR检测：① 试件厚度多变且总体厚度不超过30 mm时；② 科研试验指定需要电子图像时；③ 外场检测时。而以下情况不适用于CR检测：① 对高密度夹杂缺陷有明确要求时；② 灰尘严重、潮湿环境下。