CN102668284A - 具有铂基电极材料的火花塞 - Google Patents
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Abstract
一种用于内燃发动机的火花塞,具有一个或多个电极,所述电极具有铂(Pt)基合金的电极材料。所述合金包括铝(Al)和一种或多种耐火金属,所述耐火金属选自以下组:镍(Ni)、铼(Re)、钌(Ru)、钽(Ta)、钼(Mo)和钨(W)。在所公开合金的至少一些中,铝引起在电极材料的表面上形成氧化铝(Al2O3)层。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于内燃发动机的火花塞和其他点火装置,且具体地涉及用于火花塞的电极材料。
背景技术
火花塞可以用于在内燃发动机中启动燃烧。火花塞通常通过跨过在两个或更多电极之间限定的火花隙产生火花而点火发动机气缸或燃烧室中的气体,例如空气/燃料混合物。气体通过火花点火引起发动机气缸中的燃烧反应,其负责发动机的做功冲程。高温、高电压、燃烧反应的快速重复、以及燃烧气体中腐蚀性材料的存在可能形成火花塞必须工作的苛刻环境。该苛刻环境可能引起电极的腐蚀和侵蚀,随着时间的经过,这可能负面地影响火花塞的性能,从而可能导致不点火或者一些其他不希望状况。
为了减少火花塞电极的腐蚀和侵蚀,已经使用各种类型的贵金属及其合金,例如由铂制成的合金。然而,这些材料可能是昂贵的。因而,通过仅在电极的点火端头或火花部分处使用这种材料,火花塞制造商有时尝试最小化电极使用的贵金属的量,其中,火花跳过火花隙。
发明内容
根据一个实施例,提供一种火花塞,包括:金属外壳、绝缘体、中心电极和接地电极。所述中心电极、接地电极或两者包括电极材料,所述电极材料具有大约50-99原子%的铂(Pt),具有大约5-20原子%的铝(Al),且具有不超过大约30原子%的耐火金属,所述耐火金属选自以下组:镍(Ni)、铼(Re)、钌(Ru)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)或其组合。
根据另一个实施例,提供一种火花塞电极,包括电极材料,所述电极材料具有大约50-99原子%的铂(Pt),具有大约5-20原子%的铝(Al),且具有不超过大约30原子%的耐火金属,所述耐火金属选自以下组:镍(Ni)、铼(Re)、钌(Ru)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)或其组合。
附图说明
本发明的优选示例性实施例将在下文结合附图描述,其中,相同的附图标记表示相同元件,且其中:
图1是可以使用下文所述的电极材料的示例性火花塞的截面图;
图2是图1的示例性火花塞的点火端部的放大图,其中,中心电极具有多件式铆钉形式的点火端头,接地电极具有平垫形式的点火端头;
图3是可以使用下文所述的电极材料的另一个示例性火花塞的点火端部的放大图,其中,中心电极具有多件式铆钉形式的点火端头,接地电极具有圆柱形端头形式的点火端头;
图4是可以使用下文所述的电极材料的另一个示例性火花塞的点火端部的放大图,其中,中心电极具有位于凹部内的圆柱形端头形式的点火端头,接地电极没有点火端头;
图5是可以使用下文所述的电极材料的另一个示例性火花塞的点火端部的放大图,其中,中心电极具有圆柱形端头形式的点火端头,接地电极具有从接地电极的轴向端部延伸的圆柱形端头形式的点火端头;
图6是不使用下文所述的电极材料的示例性火花塞的电极处的所谓结球和桥接现象的示意图;
图7是图6的结球和桥接现象的放大示意图;和
图8是图7的结球和桥接现象的截面示意图。
具体实施方式
本文所述的电极材料可以用于火花塞和其他点火装置,包括工业塞、航空点火器、电热塞或用于点火发动机中的空气/燃料混合物的任何其他装置。这包括但当然不限于图1-5所示且在下文描述的示例性火花塞。此外,应当理解的是,电极材料可以用于附连到中心和/或接地电极的点火端头,或者可以用于实际中心和/或接地电极本身,仅列出几种可能。其他实施例和电极材料应用也是可能的。
参考图1和2,示出了示例性火花塞10,火花塞10包括中心电极12、绝缘体14、金属外壳16和接地电极18。中心电极或基本电极构件12设置在绝缘体14的轴向孔内且包括点火端头20,点火端头20延伸超出绝缘体14的自由端部22。点火端头20是多件式铆钉,包括由抗腐蚀和/或抗侵蚀材料(如下文所述的电极材料)制成的第一部件32和由媒介材料(如高铬镍合金)制成的第二部件34。在该具体实施例中,第一部件32具有圆柱形形状,第二部件34具有阶梯式形状,包括直径增大头部和直径减少茎部。第一和第二部件可以经由激光焊接、电阻焊接或一些其他合适焊接或非焊接接头彼此附连。绝缘体14设置在金属外壳16的轴向孔内且由足以将中心电极12与金属外壳16电绝缘的材料(例如,陶瓷材料)制成。绝缘体14的自由端部22可突出超出金属外壳16的自由端部24,如图所示,或者其可以缩回在金属外壳16内。接地电极或基本电极构件18可以根据附图所示的常规L形配置或者根据一些其他设置构造,且附连到金属外壳16的自由端部24。根据该具体实施例,接地电极18包括与中心电极的点火端头20相对的侧表面26且具有附连到侧表面26上的点火端头30。点火端头30是平垫的形式,且与中心电极点火端头20限定火花隙G,使得它们提供发火花表面,用于排放和接收跨过火花隙的电子。
在该具体实施例中,中心电极点火端头20的第一部件32和/或接地电极点火端头30可以由本文所述的电极材料制成;然而,这些不是电极材料的唯一应用。例如,如图3所示,示例性中心电极点火端头40和/或接地电极点火端头42也可以由所述电极材料制成。在该情况下,中心电极点火端头40是单件式铆钉,接地电极点火端头42是远离接地电极的侧表面26延伸显著距离的圆柱形端头。电极材料还可以用于形成图4所示的示例性中心电极点火端头50和/或接地电极18。在该示例中,中心电极点火端头50是位于在中心电极12的轴向端部中形成的凹部或盲孔52内的圆柱形部件。火花隙G在中心电极点火端头50的发火花表面和接地电极18的侧表面26(也用作发火花表面)之间形成。图5示出了电极材料的又一个可能应用,其中,圆柱形点火端头60附连到中心电极12的轴向端部且圆柱形点火端头62附连到接地电极18的轴向端部。接地电极点火端头62与中心电极点火端头60的侧表面形成火花隙G,且因而一定程度上不同于附图所示的其他示例性火花塞的点火端部配置。
同样,应当理解的是,上述非限制性火花塞实施例仅仅是电极材料的可能用途中的一些的示例,因为其可以在任何点火端头、电极、火花表面或在发动机的空气/燃料混合物点火中使用的其他点火端部部件中使用或利用。例如,以下部件可以由电极材料形成:中心和/或接地电极;中心和/或接地电极点火端头,其为铆钉、圆柱体、杆、柱、线、球、墩、锥体、平垫、盘、环、套筒等的形式;中心和/或接地电极点火端头,其直接附连到电极或者经由一个或多个中间、居中或应力释放层间接附连到电极;中心和/或接地电极点火端头,其位于电极的凹部内,嵌入电极的表面中,或者位于电极的外侧,例如套筒或其他环状部件;或具有多个接地电极、多个火花隙或半蠕变(semi-creeping)型火花隙的火花塞。这些仅仅是电极材料的可能应用中的若干示例,还存在其他。如本文使用的,措辞“电极”,不管是涉及中心电极、接地电极、火花塞电极等,可包括基本电极构件本身、点火端头本身、或者基本电极构件和附连到其上的一个或多个点火端头的组合,仅列举多个可能。
如所讨论的,贵金属合金(如,铂(Pt)基合金)已经用于火花塞电极。铂基合金展现一定程度的抗氧化、腐蚀和侵蚀,这在包括内燃发动机的使用的某些应用中是希望的。但是不是所有Pt基合金都如希望那样有效。参考图6-8,例如,已经发现Pt合金,如Pt4W合金,经受所谓的结球和桥接现象,其中,材料的局部过多氧化和再次沉积在其表面处形成Pt球B。如果这发生,在内燃发动机的高温操作期间确实如此,随着时间的经过,Pt球B可能收集且形成跨过火花隙G的桥。在形成时,Pt球B造成火花塞电极的腐蚀和侵蚀且负面地影响火花塞的火花性能。已经发现,下文所述的电极材料限制或完全防止该结球和桥接现象,同时保持合适性能,例如形成火花塞电极的不同形状的延展性。电极材料可以由高温性能合金构成,例如本文所述的Pt基合金。在不同实施例中,电极材料或Pt基合金可以包括:铝(Al);选自某一组的一种或多种耐火金属;以及钛(Ti)、铬(Cr)、或者Ti和Cr两者的组合。
如其名称所表明的,Pt基合金包括大致其余量的Pt。Pt的量影响合金的强度,包括其抗氧化、腐蚀和侵蚀性。在一个实施例中,合金包括量为至少大约50.0原子%或者量为大约50-99原子%的Pt。Pt的原子%通过将整个Pt基合金的Pt原子数每单位体积除以整个Pt基合金的整个Pt基合金原子数每单位体积来确定。在另一个实施例中,合金包括量为至少大约55.0原子%的Pt。在另一个实施例中,合金包括量为至少大约65.0原子%的Pt。在又一个实施例中,合金包括量为至少大约79.0原子%的Pt。在另一个实施例中,合金包括量量为大约50-大约95.0原子%的Pt。在另一个实施例中,合金包括量小于大约95.0原子%的Pt。在另一个实施例中,合金包括量小于大约94.0原子%的Pt。在另一个实施例中,合金包括量小于大约84.0原子%的Pt。Pt的存在和量可通过在电极材料的部段或表面上执行化学分析或者通过用扫描电子显微(S.E.M.)仪器产生和观察电极材料的部段或表面的能散光谱(E.D.S.)来检测。
Pt基合金包括其量影响合金的抗氧化性的Al。例如,如下文所述,Al可引起在火花塞的电极上形成氧化铝(Al2O3)层,其有助于屏蔽和保护下面的合金不受过多的和不想要的氧化。在某些量,Al还可以在抗腐蚀和侵蚀性方面增强合金。在一个实施例中,Pt基合金包括量为大约5.0原子%-大约20.0原子%的Al。Al的原子%通过将整个Pt基合金的Al原子数每单位体积除以整个Pt基合金的整个Pt基合金原子数每单位体积来确定。在另一个实施例中,Pt基合金包括量为至少大约5.0原子%的Al。在另一个实施例中,Pt基合金包括量为至少大约10.0原子%的Al。在又一个实施例中,Pt基合金包括量为至少大约16.0原子%的Al。在另一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约20.0原子%的Al。在又一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约14.0原子%的Al。在另一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约10.0原子%的Al。在又一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约6.0原子%的Al。Pt基合金中Al的存在和量可通过化学分析或者通过观察电极材料的E.D.S.来检测。E.D.S.可以通过S.E.M.仪器产生。
在高温下,包括具有Al的Pt基合金的每个电极或点火端头在其外表面处形成氧化铝(Al2O3)层,包括例如点火端头的发火花表面。Al2O3层通常在Pt基合金加热至大于大约500或600℃的温度时形成,例如在内燃发动机的火花塞的使用期间。当发火花方面包括平面表面,Al2O3层通常沿平面表面延伸。因而,电极或点火端头可包括梯度材料成分,其中,发火花表面包括Al2O3层,且点火端头的相邻部分或主体包括另一成分,例如包括Al和Pt。在将Pt基合金暴露于高温之前,Al2O3层不存在,点火端头通常包括否则不包括氧化铝(Al2O3)材料的一致材料成分。一旦Al2O3层在外表面或发火花表面处形成,其通常在所有温度下都保留在那里。这种Al2O3层是致密的,稳定的,且具有低成形自由能。因而,Al2O3层可提供改进抗氧化性,以在火花塞电极暴露于火花和燃烧室的极端条件时保护点火端头不受腐蚀和侵蚀,且有助于限制或完全防止上述结球和桥接现象。
Al的量可以通过部分地决定所形成的Al2O3层的存在和厚度而影响Pt基合金的氧化性能。例如,Pt基合金可具有至少大约5.0原子%的Al以形成Al2O3层;在其他示例中,Al2O3层可以用小于5.0原子%的Al形成。当Al以大约5.0原子%-大约20.0原子%的量存在时,在发火花表面处形成的Al2O3层具有取决于准确百分比的预定厚度,在一些情况下在火花塞在内燃发动机中使用期间提供足够的放电电压和消融体积每火花。预定厚度可以根据Pt基合金的具体成分和燃烧室的状况变化。在一个示例中,预定厚度是大约0.10微米(μm)至大约10.0微米(μm)。在一个示例中,如果Pt基合金包括大于大约20.0原子%的Al,那么Al2O3层具有过大厚度,在火花塞在内燃发动机中操作期间可导致增加的且在一些情况下不希望的放电电压和消融体积每火花;在其他示例中,具有大于20.0原子%的Al是可能的,且不会以所述方式不希望地影响火花塞。Al2O3层的存在和厚度可通过在发火花表面上执行化学分析或者通过用S.E.M.仪器产生和观察发火花表面的E.D.S.来检测。
取决于电极材料的Al百分比和温度,Pt基合金可包括在成分Pt和Al对比温度的二元相位图中所示的Pt3Al相及其相关Pt3Al沉淀物。例如,当Pt基合金包括量小于合金的大约10.0原子%的Al时,微观结构可包括在所有温度下的单相Pt固溶体且可能不包括Pt3Al相。但是在Pt基合金包括量大于10.0原子%的Al的另一个示例中,合金可包括具有Pt3Al相的多相或两相微观结构。第一相是Pt固溶体相,第二相是具有相对较高强度晶体结构的Pt3Al相。合金的Pt3Al相在高温下(例如在烧结、电弧熔融。或用于形成合金的其他高温冶金过程期间)溶解在合金的Pt基体中。但是在较低温度下,例如在火花塞不使用时,Pt3Al相沉淀出合金的Pt基体且转换为Pt3Al沉淀物。除了其他因素之外,Pt3Al相沉淀出的温度可取决于合金的具体成分。Pt3Al沉淀物将在合金的温度从其未使用温度增加至较高温度时(例如,在火花塞在内燃发动机中在500或600℃的升高操作温度下使用时)将溶解回到合金中。Pt3Al沉淀物的存在和量可通过在电极材料的表面或部段上执行化学分析或者通过用S.E.M.仪器产生和观察电极材料的表面或部段的E.D.S.来检测。
Pt基合金还可以包括一种或多种耐火金属或成分,选自特定组,其量影响合金的强度。例如,耐火金属的相对高熔点可给Pt基合金提供对火花腐蚀或磨损的高抵抗性,但是不需要。耐火金属还可以增加在电极材料中存在的范围内的Pt固溶体相的强度。耐火金属的特定组包括以下中的一种或多种:镍(Ni)、钌(Ru)、铼(Re)、钽(Ta)、钼(Mo)、和钨(W)。换句话说,Pt基合金可包括耐火金属中的仅仅单种或者多于一种耐火金属的组合。在一个实施例中,耐火金属,不管是单独还是组合提供,以合金的小于大约30.0原子%的量存在;基,单种耐火金属可合计达30.0原子%,或者15原子%的第一耐火金属和15原子%的第二耐火金属可以一起添加以获得30.0原子%。耐火金属的原子%通过将整个Pt基合金的耐火金属原子数每单位体积除以整个Pt基合金的整个Pt基合金原子数每单位体积来确定。
在添加时,耐火金属可以取代Pt或Al的一部分或更多,这减少Pt基合金的总成本。在一些实施例中,耐火金属的总量可保持低于大约30.0原子%以便防止具体Pt基合金沉淀和转换为易碎中间相,这对合金可能是有害的或者在其他方面可妨碍合金的性能;当然,在其他实施例中,这可能意义不大,且耐火金属可以以大于30.0原子%的量提供。在另一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约20.0原子%的耐火金属。在另一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约14.0原子%的耐火金属。在又一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约10.0原子%的耐火金属。在另一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约4.0原子%的耐火金属。在另一个实施例中,Pt基合金包括量至少大约0.01原子%的耐火金属。在又一个实施例中,Pt基合金包括量至少大约0.1原子%的耐火金属。在另一个实施例中,Pt基合金包括量至少大约3.0原子%的耐火金属。在又一个实施例中,Pt基合金包括量至少大约10.0原子%的耐火金属。耐火金属的存在和量可通过在电极材料的部段或表面上执行化学分析或者通过用S.E.M.仪器产生和观察电极材料的部段或表面的E.D.S.来检测。
Pt基合金还可以包括钛(Ti)、铬(Cr)、或Ti和Cr两者的组合,其量影响合金的抗氧化性和/或某些化学相(例如所述的Pt3Al相)的稳定性。例如,在存在时,Ti和/或Cr成分增加Pt基合金的抗氧化性且可以提高Pt3Al相在高温下的稳定性,从而改进Pt基合金的微观结构。合金中Ti和/或Cr的精确量可以由Al的量决定。例如,与仅存在5.0原子%的Al的合金相比,当Al以大约20.0原子%的量存在时,包括更多量的Ti和/或Cr可能是有益的。Ti和/或Cr的原子%通过将整个Pt基合金的Ti和/或Cr原子数每单位体积除以整个Pt基合金的整个Pt基合金原子数每单位体积来确定。
在一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约10.0原子%的Ti和/或Cr。在另一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约5.5原子%的Ti和/或Cr。在又一个实施例中,Pt基合金包括量小于大约2.0原子%的Ti和/或Cr。在另一个实施例中,Pt基合金包括量至少大约0.01原子%的Ti和/或Cr。在又一个实施例中,Pt基合金包括量至少大约0.1原子%的Ti和/或Cr。在另一个实施例中,Pt基合金包括量至少大约1.5原子%的Ti和/或Cr。Ti和/或Cr的存在和量可通过在电极材料的部段或表面上执行化学分析或者通过用S.E.M.仪器产生和观察电极材料的部段或表面的E.D.S.来检测。
合适的Pt基合金和电极材料成分的示例包括具有10原子%的铝(Al)和4原子%的一种或多种耐火金属的成分,所述耐火金属选自以下组:镍(Ni)、铼(Re)、钌(Ru)、钽(Ta)、钼(Mo)和钨(W)。这种成分可包括以下非限制性示例:Pt-10Al-4Ru和Pt-10Al-4W;其他示例当然是可能的。
电极材料可以使用已知粉末金属过程制造,包括:选择金属中的一种或多种的粉末尺寸;混合粉末以形成粉末混合物;在高等静压力和/或高温下将粉末混合物压缩至期望形状;以及烧结已压缩粉末以形成电极材料。该过程可以用于将材料形成为适合于其他火花塞电极和/或点火端头制造过程的形状(例如,杆、线、片等)。还可以使用其他已知技术,例如电弧熔融、烧结和/或混合每种成分的期望量。此外,使用感应热或其他形式的热源熔融可以用于熔融一种或多种电极材料成分的其他固体形式的粉末。在一些情况下,电极材料可以使用常规切割、研磨和挤压技术进一步处理,其有时难以与其他已知抗腐蚀电极材料使用。
要理解的是,前文是本发明的一个或多个优选示例性实施例的描述。本发明并不限于本文公开的具体实施例,而仅仅由所附权利要求限定。此外,前述说明中包含的陈述涉及具体实施例且不应理解为对本发明范围或权利要求中使用的术语的限定,除非术语或用词在上文明确定义。所公开实施例的各个其他实施例和各种变化或变型对于本领域技术人员是显而易见的。所有这种其他实施例、变化和变型都旨在落入所附权利要求范围内。
如该说明书和权利要求中使用的,用词“例如”、“如”、“诸如”、“比如”和动词“包括”、“包含”及其其他动词形式,在与一个或多个部件或其他项的列表结合使用时,均应当理解为开放式的,意味着列表不应理解为排除其他附加部件或项。其他项使用其最广泛的合理涵义理解,除非它们在需要不同解释的上下文中使用。
Claims (20)
1. 一种火花塞,包括:
具有轴向孔的金属外壳;
绝缘体,所述绝缘体具有轴向孔且至少部分设置在金属外壳的轴向孔内;
中心电极,所述中心电极至少部分设置在绝缘体的轴向孔内;和
接地电极,所述接地电极附连到金属外壳的自由端部;
其中,所述中心电极、接地电极或两者包括电极材料,所述电极材料具有大约50-99原子%的铂(Pt),具有大约5-20原子%的铝(Al),且具有不超过大约30原子%的耐火金属,所述耐火金属选自以下组:镍(Ni)、铼(Re)、钌(Ru)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)或其组合。
2. 根据权利要求1所述的火花塞,其中,所述电极材料在超过大约500℃的温度下形成氧化铝(Al2O3)层,所述氧化铝层在中心电极、接地电极或两者的外表面上形成。
3. 根据权利要求2所述的火花塞,其中,所述氧化铝层具有大约0.10至10.0微米(μm)的厚度。
4. 根据权利要求1所述的火花塞,其中,所述电极材料具有大约5-10原子%的铝(Al),所述电极材料是单相铂(Pt)固溶体。
5. 根据权利要求1所述的火花塞,其中,所述电极材料具有大约10-20原子%的铝(Al),所述电极材料是具有Pt3Al沉淀物的多相铂基合金。
6. 根据权利要求5所述的火花塞,其中,所述电极材料还具有不超过大约10原子%的钛(Ti)、铬(Cr)或其组合。
7. 根据权利要求1所述的火花塞,其中,所述电极材料具有大约10原子%的铝(Al)且具有大约4原子%的耐火金属,所述耐火金属选自以下组:镍(Ni)、铼(Re)、钌(Ru)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)或其组合。
8. 根据权利要求1所述的火花塞,其中,所述电极材料具有大约10原子%的铝(Al)且具有大约4原子%的耐火金属钌(Ru)。
9. 根据权利要求1所述的火花塞,其中,所述电极材料具有大约10原子%的铝(Al)且具有大约4原子%的耐火金属钨(W)。
10. 根据权利要求1所述的火花塞,其中,中心电极、接地电极或两者包括至少部分由电极材料制成的附连点火端头。
11. 根据权利要求10所述的火花塞,其中,所述点火端头是多件式铆钉,包括附连到中心电极或接地电极的第二部件、以及附连到第二部件且至少部分由电极材料制成的第一部件。
12. 根据权利要求1所述的火花塞,其中,中心电极、接地电极或两者至少部分由电极材料制成且不包括附连点火端头。
13. 一种火花塞电极,包括:
电极材料,所述电极材料具有大约50-99原子%的铂(Pt),具有大约5-20原子%的铝(Al),且具有不超过大约30原子%的耐火金属,所述耐火金属选自以下组:镍(Ni)、铼(Re)、钌(Ru)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)或其组合。
14. 根据权利要求13所述的火花塞电极,其中,所述电极材料在超过大约500℃的温度下形成氧化铝(Al2O3)层,所述氧化铝层在中心电极、接地电极或两者的外表面上形成。
15. 根据权利要求13所述的火花塞电极,其中,所述电极材料具有大约5-10原子%的铝(Al),所述电极材料是单相铂(Pt)固溶体。
16. 根据权利要求13所述的火花塞电极,其中,所述电极材料具有大约10-20原子%的铝(Al),所述电极材料是具有Pt3Al沉淀物的多相铂基合金。
17. 根据权利要求16所述的火花塞电极,其中,所述电极材料还具有不超过大约10原子%的钛(Ti)、铬(Cr)或其组合。
18. 根据权利要求13所述的火花塞电极,其中,所述电极材料具有大约10原子%的铝(Al)且具有大约4原子%的耐火金属,所述耐火金属选自以下组:镍(Ni)、铼(Re)、钌(Ru)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)或其组合。
19. 根据权利要求13所述的火花塞电极,其中,所述电极材料具有大约10原子%的铝(Al)且具有大约4原子%的耐火金属钌(Ru)。
20. 根据权利要求13所述的火花塞电极,其中,所述电极材料具有大约10原子%的铝(Al)且具有大约4原子%的耐火金属钨(W)。
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