阅读说明：本技术 一种空心叶片残芯中子检测灵敏度的参考线确定方法 (Reference line determination method for hollow blade residual core neutron detection sensitivity ) 是由 高祥熙 陈木子 王倩妮 何方成 贾新云 于 2020-11-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种空心叶片残芯中子检测灵敏度的参考线确定方法。该方法应用反应堆中子检测系统和对比试样,对比试样表面加工有含宽度和深度相同的两条平行长槽,其中一条长槽形成有填充型芯。包括步骤：(1)对比试样在反应堆中子检测系统中透照成像；(2)获取透照图像中等间距线的厚度和灰度；(3)绘制离散点图和参考线,照厚度T与对比度C之间线性关系。该方法避免了铸造实物叶片和脱芯工艺的繁琐步骤,便于得到不同材料厚度下、不同掺杂含量的残芯对比度灵敏度,该灵敏度接近真实的残芯检测灵敏度,同时还有利于定量残芯的细节检测能力,可实现残芯中子检测检测前的定量灵敏度的参考目的。(The invention discloses a reference line determining method for detecting sensitivity of hollow blade residual core neutrons. The method applies a reactor neutron detection system and a comparison sample, wherein the surface of the comparison sample is processed with two parallel long grooves with the same width and depth, and one long groove is formed with a filling core. The method comprises the following steps: (1) transillumination imaging of the contrast sample in a reactor neutron detection system; (2) acquiring the thickness and the gray scale of equidistant lines in a transillumination image; (3) and drawing a discrete point diagram and a reference line according to the linear relation between the thickness T and the contrast C. The method avoids the complex steps of casting the physical blade and a depoling process, is convenient for obtaining the residual core contrast sensitivity with different material thicknesses and different doping contents, is close to the real residual core detection sensitivity, is beneficial to quantifying the detail detection capability of the residual core, and can realize the reference purpose of the quantitative sensitivity before the detection of the residual core neutron.)

一种空心叶片残芯中子检测灵敏度的参考线确定方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体提供一种空心叶片残芯中子检测灵敏度的参考线确定方法。

背景技术

航空发动机的涡轮叶片通常由高温合金精密铸造而成，它的质量好坏关系到整个发动机的性能，更关系到飞机的安全。由于发动机燃烧室产生的燃气温度太高，现今的涡轮叶片都为空心且在其内部不断通入低温空气对叶片冷却。涡轮叶片内部腔道细小而且复杂，在铸造时内部的空间是由陶瓷型芯占据的，一般是通过脱芯工艺清除型芯，但是脱芯工艺难以保证陶瓷型芯的完全清除，型腔内的残余型芯不仅会影响空心叶片工作过程中冷却气流的正常流动，降低冷却效果，而且可能堵塞叶身上用于冷却的气膜孔(数以百计，直径0.3mm至0.5mm)，造成叶片局部超温和过早的失效，给发动机带来巨大的安全隐患，因此必须采用相关手段来检测空心叶片内部是否存在残芯。

由于型芯的密度较低，常规X射线难以实施有效检测。目前，国内外通常的做法是在型芯材料中加入少量中子截面非常大的元素(如Gd)对型芯进行标记，采用中子检测以实现残芯的高灵敏度检测。一般情况下，加入中子截面大的元素越多，残芯的检测灵敏度越高，通常以加入0.5％～6％的量为宜。标记法一般通过两种方法实现：浸泡法和掺杂法。浸泡法则是将已经过脱芯处理的内部可能含残芯的叶片在Gd(NO₃)₃溶液中浸泡，使足够的造影剂被残芯吸收，然后对叶片进行中子检测检测，该方法会受到浸泡工艺的影响和浸泡后过洗的风险，可靠性较低；掺杂法是将Gd₂O₃粉末直接掺杂到陶瓷型芯材料内，叶片脱芯后可直接进行中子检测检测，该方法对型芯和叶片的铸造合格率影响较小，同时成像质量清晰，可靠性高。

对于中子源，反应堆除产生有效的热中子外，还含有γ射线、散射线和电子对等不利因素，会增加背景噪声。因此，要确保较优的图像质量，残芯检测时要求热中子的剂量率至少为10⁵n/cm²·s。另外，在成像过程中，胶片成像应用较广泛，具有较优的检测能力，数字成像在空间分辨率和细节检测能力上要低于胶片成像，但是这种方法效率高，图像处理便捷，也具有较好的应用前景。

综上所述，空心叶片残芯的中子检测受到型芯尺寸、掺杂含量、中子源、成像系统等多方面因素影响，在检测前必须验证检测灵敏度。目前，通常采用两种方法，国外专利(3，617，747)提供了一种验证残芯中子检测灵敏度的方法，该方法基于对铸造后的叶片进行脱芯，得到了最小检出0.5mg的残芯，但由于脱芯工艺得到的残芯尺寸具有不确定性，无法得到定量的、尺寸更小的残芯，更不便于得到不同材料厚度下的检测灵敏度；另一种方法是制作阶梯对比试样，通过在加工的不同深度孔中加入掺杂的陶瓷型芯粉末，获得不同材料厚度下不同掺杂含量的对比度灵敏度，这种方法加入的陶瓷型芯粉末虽然被压实，但与实际固化的型芯存在差异，获得的灵敏度偏低。

发明内容

发明的目的：有鉴于此，本发明提供一种空心叶片残芯中子检测灵敏度的参考线确定方法，通过对比试样的中子透照图像建立透照厚度与对比度之间的线性关系，不仅便于实现不同材料厚度下、不同掺杂含量的残芯对比度灵敏度，还有利于定量残芯的细节检测能力，用于验证中子检测系统和空心叶片中子检测前的残芯定量灵敏度的参考指标。

发明的技术方案：一种空心叶片残芯中子检测灵敏度的参考线确定方法，该方法中应用反应堆中子检测系统(1)和对比试样(2)；

所述反应堆中子检测系统能够实现空心叶片的透照，生成叶片透照的灰度图像，灰度图像中对于叶片空腔中的残余型芯能够进行显像，残余型芯的灰度有别于叶片材料的灰度；

所述对比试样的材质与空心叶片材质相同，所述对比试样的厚度横向上从一端向另一端线性增加，所述对比试样的厚度纵向上一致，且横向上的最小厚度不大于空心叶片最小壁厚，横向上的最大厚度不小于空心叶片最大壁厚；

在对比试样的横向方向开有第一长槽和第二长槽，第一长槽平行于第二长槽，所述长槽的深度和宽度根据叶片残芯的验收要求制作；

所述第一长槽为空槽，所述第二长槽中形成有填充型芯，填充型芯的成型浆料为混合有Gd₂O₃的残余型芯成型浆料；

本方法包括如下步骤：

步骤一、对比试样透照

将对比试样置于反应堆中子检测系统中，并通过中子源照射生成透照图像；

步骤二、获取等间距线的厚度和灰度

在对比试样的透照图像上，沿横向取多个等间距线，获取每个等间距线所对应的纵向位置上的第一长槽内图像灰度值H和第二长槽内图像灰度值H_C；

步骤三、绘制离散点图

建立XY平面坐标系，X轴为厚度值，Y轴为对比度值，在所述XY平面坐标系中标记离散点，每个离散点对应一个等间距线，离散点的x值为对应等间距线的对比试样厚度，离散点的y值为对应等间距线的对比度，对比度的计算公式为：对比度C＝|H_C－H|/H；

步骤四、绘制参考直线

通过步骤三标记的离散点，拟合获得直线，所述直线作为参考线，该参考线代表透照厚度T与对比度C之间线性关系。

进一步地，所述对比试样在横向上的两端形成等厚度的边，一端厚度为所述最小厚度，另一端厚度为所述最大厚度。

进一步地，所述对比试样横向上的最小厚度不大于1mm，横向上的最大厚度不小于6mm。

进一步地，所述第一长槽与第二长槽均为U型截面槽。

进一步地，在所述第二长槽中填入混合有Gd₂O₃的陶瓷型芯浆料，并通过高温烧结、固化获得所述填充型芯。更进一步地，固化后通过机加工的方式去除第二长槽溢出的型芯材料。更进一步地，所述填充型芯在所述第二长槽中填充度为100％。更进一步地，所述Gd₂O₃为粉末，纯度达到99.9％及以上，Gd₂O₃粉料与陶瓷型芯浆料的质量比为0.015∽0.03。

进一步地，所述残余型芯的基体材质为氧化硅或氧化铝。

进一步地，所述等间距线的数量至少为10个。

本发明具有的优点和有益效果：

本发明针对空心叶片残芯中子检测灵敏度提出一种参考方法，该方法避免了铸造实物叶片和脱芯的繁琐工艺，以及制作阶梯试块和打孔的复杂性，更便于得到不同材料厚度、不同掺杂含量的残芯检测灵敏度，该灵敏度接近真实的残芯检测灵敏度，同时还有利于定量残芯的细节检测能力，可用于验证中子检测系统和实现空心叶片中子检测前残芯定量灵敏度的参考，为检测实施提供依据。

附图说明

图1为中子检测系统示意图；

图2为对比试样侧视图；

图3为对比试样俯视图；

图4为对比试样的透照图；

图5为0.2mm、质量比3％Gd₂O₃型芯时材料厚度与对比度的曲线；

图6为材料厚度与对比度的曲线关系图；

图1中：1.中子源，2.慢化体，3.屏蔽体，4.γ过滤器，5.光阑的直径，6.准直器，7.发散中子束，8.对比试样，9.成像系统，10.最小厚度的边，11.U型槽，12.最大厚度的边，13.第一长槽，14.第二长槽，15.等间距线，16.透照图像中的第一长槽，17.透照图像中的第二长槽。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述，显然，所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

本发明提供一种空心叶片残芯中子检测灵敏度的参考线确定方法，通过对比试样的中子透照图像建立透照厚度与对比度之间的线性关系，不仅便于实现不同材料厚度下、不同掺杂含量的残芯对比度灵敏度，还有利于定量残芯的细节检测能力，用于验证中子检测系统和空心叶片中子检测前的残芯定量灵敏度的参考指标。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的：

一种空心叶片残芯中子检测灵敏度的参考线确定方法，该方法中应用反应堆中子检测系统(1)和对比试样(2)；

所述反应堆中子检测系统能够实现空心叶片的透照，生成叶片透照的灰度图像，灰度图像中对于叶片空腔中的残余型芯能够进行显像，残余型芯的灰度有别于叶片材料的灰度；

所述对比试样的材质与空心叶片材质相同，所述对比试样的厚度横向上从一端向另一端线性增加，所述对比试样的厚度纵向上一致，且横向上的最小厚度不大于空心叶片最小壁厚，横向上的最大厚度不小于空心叶片最大壁厚；

在对比试样的横向方向开有第一长槽和第二长槽，第一长槽平行于第二长槽，所述长槽的深度和宽度根据叶片残芯的验收要求制作；

所述第一长槽为空槽，所述第二长槽中形成有填充型芯，填充型芯的成型浆料为混合有Gd₂O₃的残余型芯成型浆料；

本方法包括如下步骤：

步骤一、对比试样透照

将对比试样置于反应堆中子检测系统中，并通过中子源照射生成透照图像；

步骤二、获取等间距线的厚度和灰度

在对比试样的透照图像上，沿横向取多个等间距线，获取每个等间距线所对应的纵向位置上的第一长槽内图像灰度值H和第二长槽内图像灰度值H_C；

步骤三、绘制离散点图

建立XY平面坐标系，X轴为厚度值，Y轴为对比度值，在所述XY平面坐标系中标记离散点，每个离散点对应一个等间距线，离散点的x值为对应等间距线的对比试样厚度，离散点的y值为对应等间距线的对比度，对比度的计算公式为：对比度C＝|H_C－H|/H；

步骤四、绘制参考直线

通过步骤三标记的离散点，拟合获得直线，所述直线作为参考线，该参考线代表透照厚度T与对比度C之间线性关系。

实施例

选择DD5高温合金制作对比试样，其材质被检空心叶片材质相同，加工后的对比试样尺寸为：55mm(横向)×28.5mm(纵向)，对比试样横向上从一端向另一端线性增加，两端形成等厚度的边，最小厚度边的厚度为1mm，最大厚度边的厚度为10mm，最小厚度边和最大厚度边之间的横向长度为35mm。

在对比试样表面的横向方向加工第一长槽和第二长槽，第一长槽平行于第二长槽，二者均为U型截面槽，经覆型后二者的槽宽和槽深均为0.2mm。

参考相关文献，在陶瓷型芯中掺入Gd₂O₃能够显著提高检测灵敏度。本实施例选择在SiO₂基陶瓷型芯浆料中混合质量比3％的Gd₂O₃粉末并混合均匀，将浆料填充在第二长槽中，并在1150℃高温炉中固化0.5小时，冷却后通过机加工的方式去除第二长槽溢出的型芯材料，达到100％的填充度。

将对比试样置于中子源和成像系统之间，此时成像系统为包含Gd屏和单面胶片的暗盒，将对比试样紧贴暗合，并曝光1小时。胶片在暗室中进行冲洗获得对比试样的透照图像。

在对比试样的透照图像上，沿横向取14个等间距线，获取每个等间距线所对应的纵向位置上的第一长槽内图像灰度值H和第二长槽内图像灰度值H_C，并根据对比度的计算公式(C＝|H_C－H|/H)获得对比度值，结果见表1。

表1等间距线对应的厚度和对比度值

建立XY平面坐标系，X轴为材料厚度值，Y轴为对比度值，在XY平面坐标系中标记离散点，每个离散点对应一个等间距线，离散点的x值为对应等间距线的对比试样厚度，离散点的y值为对应等间距线的对比度。根据相关文献，当对比度C＞0.05时，型芯可分辨，因此，对于DD5高温合金材料，当材料厚度小于7mm时，可发现0.2mm、掺杂3％Gd₂O₃的残余型芯。