一种薄壁铸件的高通量制备方法

1.本发明涉及熔模铸造技术领域，具体涉及一种薄壁铸件的高通量制备方法。


背景技术：

2.熔模铸造技术常用于制备高温合金精密铸件，尤其在生产航空发动机涡轮叶片等几何形状复杂的航空精密铸件中应用广泛。其生产过程是由低熔点材料制成的熔模上涂覆耐火材料，经干燥硬化后脱蜡焙烧形成陶瓷型壳，最后将熔炼后的合金液注入型壳并冷却脱壳后，获得铸件的方法。
3.现有技术中通常采用石蜡作为熔模制备模壳，如中国专利cn201610245308.1公开了一种熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法，虽然制备的薄壁试样表面状态与实际气冷涡轮叶片薄壁位置的表面状态一致，但在制备过程中石蜡极易变形，且铸件尺寸高度依赖模具，不便于根据需要调整薄壁试样的厚度与形状。现有技术为了克服石蜡易变形及高度依赖模具的缺点，在熔模制备过程中使用了低熔点金属薄片，如中国专利cn202010660614.8公开了一种超薄壁铸件的制备方法，但是存在如下缺点：(1)一个低熔点金属薄片只能形成单个薄壁型腔，效率较低；(2)制壳过程中涂料步骤需要在模组表面淋洒浆料，金属薄片壁厚较薄，在挂浆淋砂时侧壁很容易挂浆不均匀甚至未能完整涂覆浆料，导致型壳内部产生微裂纹进而造成焙烧或浇注阶段型壳开裂，金属液浇注之后容易渗漏，将金属液漏到炉腔内从而对定向凝固设备造成损坏；(3)容易有金属残留污染金属液成分，实际应用范围受限。因此，采用现有的熔模组件难以高效获得质量较高的薄壁铸件。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种薄壁铸件的高通量制备方法，本发明采用预先粘贴蜡纸的刚玉板可以在刚玉板两侧均形成薄壁型腔，是同等数量低熔点金属薄片的两倍，可以将效率提高两倍；刚玉板有利于挂浆淋砂，在制壳阶段不容易出现微裂纹，也不会污染金属液成分。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种薄壁铸件的高通量制备方法，包括以下步骤：
7.提供熔模组件，所述熔模组件包括中心支撑柱，与所述中心支撑柱顶端连接的浇注系统，与所述中心支撑柱底端连接的螺旋选晶器和底座，以及固定所述浇注系统和底座的外框架；所述中心支撑柱的侧壁上固定连接若干个预先粘贴蜡纸的刚玉板；所述螺旋选晶器包括从上到下依次连接的螺旋段和引晶段；所述螺旋段的顶端与所述中心支撑柱的底部相连接；所述引晶段的底部连接底座；
8.将所述熔模组件依次进行浸蜡、涂料、撒砂、干燥、脱蜡和焙烧，得到型壳；
9.将熔融金属液进行超温处理后浇注至所述型壳内，待所述熔融金属液定向凝固后，清壳，得到薄壁铸件。
10.优选地，所述浇注系统包括自上而下依次连接的浇冒口和过渡结构；所述过渡结构和中心支撑柱连接。
11.优选地，所述刚玉板的厚度为1～5mm。
12.优选地，所述蜡纸的厚度为0.2～1mm。
13.优选地，每个所述刚玉板与中心支撑柱通过卡槽连接。
14.优选地，所述超温处理的温度为1600～1800℃，保温时间为5～30min。
15.优选地，所述熔融金属液的组成为镍基单晶高温合金。
16.优选地，所述浇注的温度为1480～1550℃。
17.优选地，所述定向凝固包括：将所述浇注有熔融金属液的型壳静置5～10min后，将所述型壳以一定抽拉速率从定向凝固设备的热区向冷区拉出，实现定向凝固。
18.优选地，所述抽拉速率为3～6mm/min。
19.本发明提供了一种薄壁铸件的高通量制备方法，本发明采用刚玉板表面粘贴蜡纸作为模组，固定在中心支撑柱的侧壁上，由于刚玉板的强度较高，可保证所粘贴蜡纸的延展性，从而提高薄壁铸件的表面光洁度，解决了传统方式制备薄壁铸件模具设计制作困难、成本高昂、无支撑的蜡纸易变形问题。并且，本发明还可以通过控制蜡纸的形状和厚度对薄壁铸件的尺寸进行精确控制，适宜大批量制备薄壁铸件，解决了传统方法制得的薄壁铸件效率低的问题。与现有技术使用低熔点金属薄片制备薄壁铸件的方法相比，本发明采用预先粘贴蜡纸的刚玉板，能够提高效率，一块刚玉板两侧均可粘贴蜡纸，可以形成的型腔数是金属片的两倍，将效率提高到原来的两倍；预先粘贴蜡纸的刚玉板较厚，有利于挂浆淋砂，在制壳阶段不容易出现微裂纹，陶瓷板无需脱模从而解决了低熔点金属薄片在制壳过程中脱蜡焙烧难以完整脱出的问题，为后续的金属液浇注和定向凝固提供了良好的基础；同时本发明采用蜡纸构成型腔，相较低熔点金属薄片而言，存在脱模更彻底，制壳时无低熔点金属残留，不污染金属液等优点，且制备的薄壁铸件陶瓷型腔完整，成壳率高。
20.本发明将熔融金属液进行超温处理后再浇注至型壳内，利用超温处理能够提高熔融金属液的流动性，提高充型能力，合格率高，也能在一定程度上细化枝晶组织。
附图说明
21.图1为本发明提供的熔模组件的示意图；图1中，1为浇注系统的浇冒口，2为浇注系统的过渡结构，3为外框架，4为蜡纸，5为中心支撑柱，6为刚玉板，7为螺旋选晶器的螺旋段，8为螺旋选晶器的引晶段，9为底座；
22.图2为本发明提供的熔模组件的部分结构线框图；
23.图3为实施例1中熔模组件的图片；
24.图4为实施例1制备的型壳的俯视图；
25.图5为实施例1制备的型壳的主视图；
26.图6为实施例1制备的厚度为0.4mm的镍基单晶高温合金薄壁铸件光学显微镜下的横截面显微组织图；
27.图7为实施例1制备的厚度为1.0mm的镍基单晶高温合金薄壁铸件光学显微镜下的纵截面显微组织图；
具体实施方式
28.本发明提供了一种薄壁铸件的高通量制备方法，包括以下步骤：
29.提供熔模组件，所述熔模组件包括中心支撑柱，与所述中心支撑柱顶端连接的浇注系统，与所述中心支撑柱底端连接的螺旋选晶器和底座，以及固定所述浇注系统和底座的外框架；所述中心支撑柱的侧壁上固定连接若干个预先粘贴蜡纸的刚玉板；所述螺旋选晶器包括从上到下依次连接的螺旋段和引晶段；所述螺旋段的顶端与所述中心支撑柱的底部相连接；所述引晶段的底部连接底座；
30.将所述熔模组件依次进行浸蜡、涂料、撒砂、干燥、脱蜡和焙烧，得到型壳；
31.将熔融金属液进行超温处理后浇注至所述型壳内，待所述熔融金属液定向凝固后，清壳，得到薄壁铸件。
32.本发明提供熔模组件。在本发明中，所述熔模组件包括中心支撑柱，与所述中心支撑柱顶端连接的浇注系统，与所述中心支撑柱底端连接的螺旋选晶器和底座，以及固定所述浇注系统和底座的外框架；所述中心支撑柱的侧壁上固定连接若干个预先粘贴蜡纸的刚玉板；所述螺旋选晶器包括从上到下依次连接的螺旋段和引晶段；所述螺旋段的顶端与所述中心支撑柱的底部相连接；所述引晶段的底部连接底座。
33.在本发明中，所述中心支撑柱、浇注系统、螺旋选晶器、底座和外框架优选为3d打印一体成型；所述中心支撑柱、浇注系统、螺旋选晶器、底座和外框架的材质优选为psb粉(淀粉基生物全降解材料)。本发明采用3d打印技术制备所述中心支撑柱、浇注系统、螺旋选晶器、底座和外框架组成的熔模组件，免去了定制蜡模模具的高昂费用，降低了生产成本。
34.本发明提供的熔模组件包括中心支撑柱，用于固定连接预先粘贴蜡纸的刚玉板。在本发明中，所述中心支撑柱的侧壁上固定连接若干个预先粘贴蜡纸的刚玉板。在本发明中，当所述预先粘贴蜡纸的刚玉板为多个时，所述多个预先粘贴蜡纸的刚玉板优选均匀分布在所述中心支撑柱的外侧。在本发明中，每个所述刚玉板与中心支撑柱优选通过卡槽连接，具体优选为：在所述中心支撑柱的侧壁外围预留与所述预先粘贴蜡纸的刚玉板同等数量的凹槽，所述凹槽的长度和宽度尺寸与所述预先粘贴蜡纸的刚玉板的高度和厚度尺寸相匹配，所述凹槽的深度尺寸要求能够使预先粘贴蜡纸的刚玉板插入凹槽并固定为宜。在本发明中，所述预先粘贴蜡纸的刚玉板的纵轴优选与所述中心支撑柱的中轴线平行。本发明对所述中心支撑柱的具体尺寸没有特殊要求，根据所需薄壁铸件的尺寸进行确定即可。在本发明中，所述刚玉板的厚度优选为1～5mm，更优选为4mm；所述蜡纸的厚度优选为0.2～1mm，更优选为0.4～0.8mm。在本发明中，所述刚玉板的两侧优选均粘贴有蜡纸。在本发明中，所述蜡纸在脱蜡后形成的空腔中浇注熔融金属液后，得到薄壁铸件，本发明通过控制蜡纸的形状和尺寸来控制薄壁铸件的成型质量，所述刚玉板两侧均可粘贴蜡纸，可进一步提高生产效率。
35.本发明提供的熔模组件包括与所述中心支撑柱顶端连接的浇注系统。在本发明中，所述浇注系统优选包括自上而下依次连接的浇冒口和过渡结构；所述过渡结构和中心支撑柱连接。作为本发明的一个实施例，所述过渡结构由多个过渡单元板组成；每个所述预先粘贴蜡纸的刚玉板的上部被两个过渡单元板夹持。在本发明中，所述过渡结构用于辅助中心支撑柱卡槽固定预先粘贴蜡纸的刚玉板，如图2所示，为方便观察刚玉板位置，将过渡结构用框线图表示并隐藏实体，可以看到内部刚玉板被固定到过渡结构中。所述过渡结构后续脱蜡后，形成空腔，用于注入熔融金属液，有利于提高充型效果。在本发明中，所述浇冒口底部的直径优选大于中心支撑柱的直径。本发明对所述浇注系统的浇冒口具体结构没有
特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的浇冒口结构即可。
36.本发明提供的熔模组件包括与所述中心支撑柱底端连接的螺旋选晶器。在本发明中，所述螺旋选晶器能够更好地确保薄壁铸件单晶完整性，得到符合要求的单晶薄壁铸件。本发明对所述螺旋选晶器的具体结构没有特殊限定，采用本领域技术人员所熟知的螺旋选晶器即可。在本发明中，所述螺旋选晶器包括从上到下依次连接的螺旋段和引晶段；所述螺旋段的顶端与所述中心支撑柱的底部相连接；所述引晶段的底部连接底座。在本发明中，当得到单晶薄壁铸件时，所述螺旋选晶器的螺旋段直径优选为5mm，螺旋段螺旋圈数优选为1.5圈；所述螺旋选晶器的引晶段的直径优选为7mm，长度优选为30mm。
37.本发明提供的熔模组件包括与所述螺旋选晶器底部支撑连接的底座，所述底座用于支撑整体熔模模组并与螺旋选晶器和外框架相连。在本发明中，所述底座的高度优选为5mm，直径优选为72mm。
38.本发明提供的熔模组件包括固定所述浇注系统和底座的外框架。在本发明中，所述外框架优选包括固定连接所述底座并延伸至固定连接所述浇冒口的两侧。在本发明中，所述底座和外框架用于固定支撑熔模组件中的其他结构。
39.作为本发明的一个实施例，本发明提供的熔模组件如图1所示，包括中心支撑柱，与所述中心支撑柱顶端连接的浇注系统，与所述中心支撑柱底端连接的螺旋选晶器和底座，以及固定所述浇注系统和底座的外框架；所述中心支撑柱的侧壁上固定连接若干个预先粘贴蜡纸的刚玉板；所述螺旋选晶器包括从上到下依次连接的螺旋段和引晶段；所述螺旋段的顶端与所述中心支撑柱的底部相连接；所述引晶段的底部连接底座；所述浇注系统包括自上而下依次连接的浇冒口和过渡结构；所述底座的两侧连接有外框架，所述外框架延伸至固定连接所述浇冒口的两侧。
40.得到熔模组件后，本发明将所述熔模组件依次进行浸蜡、涂料、撒砂、干燥、脱蜡和焙烧，得到型壳。本发明对所述浸蜡、涂料、撒砂、干燥、脱蜡和焙烧的具体方法没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的工艺即可。本发明优选采用传统陶瓷型壳制作工艺将所述熔模组件制成陶瓷型壳。在本发明中，浸蜡能够解决快速成型法制备的熔模组件存在的强度低、致密度低及表面粗糙度差的问题。在本发明的具体实施例中，优选先进行第一次涂料，使用的材料优选为锆英粉+铝酸钴+硅溶胶，然后进行第一次撒砂，撒120#锆砂，再进行第一次干燥；然后继续进行第二次涂料，使用的材料优选为熔融石英粉+硅溶胶，然后进行第二次撒砂，撒46#刚玉砂，再进行第二次干燥；然后继续进行第三次涂料，使用的材料优选为熔融石英粉+硅溶胶，然后进行第三次撒砂，撒35s莫来石砂，再进行第三次干燥；然后继续进行第四次涂料，使用的材料优选为ec95粉+硅溶胶，然后进行第四次撒砂，再进行第四次干燥；第四层以后各层均与第四层相同，如此重复涂料、撒砂和干燥步骤，直至得到适宜厚度的涂层。在本发明中，所得涂层的总层数优选为八层，且第八层只涂料，不撒砂。在本发明中，所述脱蜡和焙烧采用通用制壳方式进行，以获得强度足够的型壳。
41.得到型壳后，本发明将熔融金属液进行超温处理后浇注至所述型壳内，待所述熔融金属液定向凝固后，清壳，得到薄壁铸件。在本发明中，所述熔融金属液的组成优选为镍基单晶高温合金。在本发明中，所述熔融金属液的制备方法优选为：将母合金进行真空熔炼，得到熔融金属液。在本发明中，所述真空熔炼优选包括：将母合金置于氧化镁陶瓷坩埚中，在真空条件下使用中频感应加热装置熔炼，得到熔融金属液。
42.在本发明中，所述超温处理的温度优选为1600～1800℃，保温时间优选为5～30min。
43.在本发明中，所述浇注的温度优选为1480～1550℃，更优选为1520～1550℃。在本发明中，所述浇注优选在真空条件下进行，使用机械泵、罗茨泵、油扩散泵三级真空系统获取所需真空环境，真空度优选为6
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pa以下。
44.在本发明中，所述定向凝固优选包括：将所述浇注有熔融金属液的型壳静置5～10min后，将所述型壳以一定抽拉速率从定向凝固设备的热区向冷区拉出，实现定向凝固。在本发明中，所述热区优选为保温炉热区；所述冷区优选为下腔式冷区。在本发明中，所述抽拉速率优选为3～6mm/min，更优选为4～6mm/min。在本发明中，所述浇注和定向凝固优选在定向凝固设备中进行，所述定向凝固设备优选为两公斤双区石墨电阻加热bridgman高梯度定向凝固炉。本发明优选在所述定向凝固后，先进行冷却再进行清壳。
45.本发明对所述清壳的具体工艺没有特殊限定，采用本领域技术人员所熟知的清壳工艺，尽量避免引入过多的应力即可。
46.本发明提供的薄壁铸件的高通量制备方法，克服了传统生产工艺制备单晶薄壁铸件依赖费用高昂模具的障碍，大幅度节约成本；而且可以根据蜡纸的尺寸和形状对薄壁铸件的尺寸和形状进行精确控制。本发明通过增减熔模模组中预先粘贴蜡纸的刚玉板数量，能够对薄壁铸件的数量进行调节，叠加对蜡纸的尺寸和形状进行控制，在一次实验过程中能够成功制备多个不同尺寸、不同形状的薄壁铸件，大大提高了生产效率。
47.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.实施例1
49.将psb粉经过3d打印制成模型，所述模型如图1所示，由中心支撑柱、浇注系统、螺旋选晶器、底座和外框架组成；将4块长度为100mm、宽度为20mm、厚度为1mm的刚玉板插入所述中心支撑柱的侧壁凹槽内，4块刚玉板两侧分别预先贴好长度为100mm、宽度为20mm、厚度分别为0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm的蜡纸，与所述模型组装成熔模组件，如图3所示；
50.将所述熔模组件依次进行浸蜡、涂料、撒砂、干燥、脱蜡和焙烧，得到型壳，型壳俯视图、主视图如图4、5所示；
51.采用两公斤双区石墨电阻加热bridgman高梯度定向凝固炉完成镍基单晶高温合金的真空熔炼、超温处理、翻转浇注和定向抽拉过程：将成分如表1所示的dd403母合金进行真空熔炼，将所得dd403合金液进行超温处理后浇注至所述型壳内，真空度为1.8
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pa，超温处理的温度为1600℃，保温时间为20min，浇注温度为1520℃，dd403合金液在型壳中静置10min，将型壳匀速抽拉，抽拉速率为6mm/min，定向凝固结束后的型壳经过清壳，得到镍基单晶高温合金薄壁铸件。
52.表1dd403母合金的化学成分(质量百分含量)
53.54.图6为光学显微镜下观察到的厚度为0.4mm的镍基单晶高温合金薄壁铸件的横截面金像显微组织图片。图7为光学显微镜下观察到的厚度为1.0mm的镍基单晶高温合金薄壁铸件的纵截面金像显微组织图片。由图6～7可以看出薄壁试样枝晶组织排列规整，微观组织无明显凝固缺陷即单晶完整性好。
55.与中国专利cn201610245308.1相比，本发明无需高附加值模具，有利于对薄壁铸件的结构进行反复改动而不需要过高的模具设计及制作成本。与中国专利cn201210136757.4、cn202010222079.8和cn202010258519.5相比，本发明在结构设计上可以满足仅使用一个籽晶即可制备若干个单晶薄壁铸件，并能优化单晶薄壁铸件一次取向偏离度，将三维空间的取向偏离分解为两个二维平面上厚度和宽度方向上的取向偏离，且经分解后偏离度数减小。
56.实施例2
57.将psb粉经过3d打印制成模型，所述模型如图1所示，由中心支撑柱、浇注系统、螺旋选晶器、底座和外框架组成；将4块长度为100mm、宽度为20mm、厚度为4mm的刚玉板插入所述中心支撑柱的侧壁凹槽内，刚玉板两侧预先贴好长度为100mm、宽度为20mm、厚度为0.2mm的蜡纸，粘贴蜡纸的刚玉板与所述模型组装成熔模组件；
58.将所述熔模组件依次进行浸蜡、涂料、撒砂、干燥、脱蜡和焙烧，得到型壳；
59.采用两公斤双区石墨电阻加热bridgman高梯度定向凝固炉完成镍基单晶高温合金的真空熔炼、超温处理、翻转浇注和定向抽拉过程：将成分如表1所示的dd403母合金进行真空熔炼，将所得dd403合金液进行超温处理后浇注至所述型壳内，真空度为2.1
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pa，超温处理的温度为1800℃，保温时间为5min，浇注温度为1480℃，dd403合金液在型壳中静置5min，将型壳匀速抽拉，抽拉速率为6mm/min，定向凝固结束后的型壳经过清壳，得到镍基单晶高温合金薄壁铸件。
60.与中国专利cn202010660614.8中使用的低熔点金属薄片形成型腔制备薄壁铸件相比，本发明采用预先粘贴蜡纸的刚玉板润湿性更好，能提高充型能力。且与低熔点金属薄片相同数量的刚玉板两侧面均可粘贴蜡纸，其形成型腔数目是低熔点金属薄片的2倍，本发明能将薄壁铸件的生产效率提高2倍，具备比较高的生产效率，符合高通量实验的工艺需求。
61.实施例3
62.与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将超温处理的温度调整为1700℃。
63.实施例4
64.与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将超温处理的温度调整为1800℃。
65.测试例
66.测试实施例1和实施例3～4经过所述超温处理的dd403合金液的粘度值，dd403合金液随着超温处理从1600℃升高到1800℃其粘度值由46.4mpa
·
s减小到34.1mpa
·
s，增强了合金液的流动性，进一步提高了薄壁铸件充型能力。
67.实施例1和实施例3～4制备的厚度为0.8mm的镍基单晶高温合金薄壁铸件的枝晶间距细化程度如表2所示。
68.表2不同超温处理温度下的枝晶间距
[0069][0070]
由表2可以看出，超温处理能在一定程度上细化枝晶组织。
[0071]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种薄壁铸件的高通量制备方法，包括以下步骤：提供熔模组件，所述熔模组件包括中心支撑柱，与所述中心支撑柱顶端连接的浇注系统，与所述中心支撑柱底端连接的螺旋选晶器和底座，以及固定所述浇注系统和底座的外框架；所述中心支撑柱的侧壁上固定连接若干个预先粘贴蜡纸的刚玉板；所述螺旋选晶器包括从上到下依次连接的螺旋段和引晶段；所述螺旋段的顶端与所述中心支撑柱的底部相连接；所述引晶段的底部连接底座；将所述熔模组件依次进行浸蜡、涂料、撒砂、干燥、脱蜡和焙烧，得到型壳；将熔融金属液进行超温处理后浇注至所述型壳内，待所述熔融金属液定向凝固后，清壳，得到薄壁铸件。2.根据权利要求1所述的高通量制备方法，其特征在于，所述浇注系统包括自上而下依次连接的浇冒口和过渡结构；所述过渡结构和中心支撑柱连接。3.根据权利要求1所述的高通量制备方法，其特征在于，所述刚玉板的厚度为1～5mm。4.根据权利要求1或3所述的高通量制备方法，其特征在于，所述蜡纸的厚度为0.2～1mm。5.根据权利要求1或3所述的高通量制备方法，其特征在于，每个所述刚玉板与中心支撑柱通过卡槽连接。6.根据权利要求1所述的高通量制备方法，其特征在于，所述超温处理的温度为1600～1800℃，保温时间为5～30min。7.根据权利要求1所述的高通量制备方法，其特征在于，所述熔融金属液的组成为镍基单晶高温合金。8.根据权利要求7所述的高通量制备方法，其特征在于，所述浇注的温度为1480～1550℃。9.根据权利要求1所述的高通量制备方法，其特征在于，所述定向凝固包括：将所述浇注有熔融金属液的型壳静置5～10min后，将所述型壳以一定抽拉速率从定向凝固设备的热区向冷区拉出，实现定向凝固。10.根据权利要求9所述的高通量制备方法，其特征在于，所述抽拉速率为3～6mm/min。

技术总结
本发明涉及熔模铸造技术领域，具体涉及一种薄壁铸件的高通量制备方法。本发明采用预先粘贴蜡纸的刚玉板可以在刚玉板两侧均形成薄壁型腔，是同等数量低熔点金属薄片的两倍，可以将效率提高两倍；刚玉板有利于挂浆淋砂，在制壳阶段不容易出现微裂纹，也不会污染金属液成分。本发明将熔融金属液进行超温处理后再浇注至型壳内，利用超温处理能够提高熔融金属液的流动性，提高充型能力，合格率高，也能在一定程度上细化枝晶组织。程度上细化枝晶组织。程度上细化枝晶组织。


技术研发人员：刘林 许瀚元 黄太文 张朝
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/20