CN104769142B - 制造用于航空器构造的可变厚度的结构元件的方法 - Google Patents

制造用于航空器构造的可变厚度的结构元件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于制造由可热处理的铝合金制成的可变厚度的轧制产品的方法,其中执行热轧制以在最厚部分和最薄部分之间的纵长上实现至少10%的厚度变化;获得的可变厚度的轧制产品经历固溶和淬火,并且通过可控拉伸调整可变厚度的轧制产品的尺寸,以此通过固溶或淬火在自然或人工老化之前在最厚部分中具有至少1%的永久变形。根据本发明所获得的产品在最薄部分中展示了至少5%的改进的机械强度且在最厚部分中展示了至少15%的断裂韧性。根据本发明的产品尤其在航空器上翼蒙皮或下翼蒙皮的制造中有用,因为其同时提高了“飞行质量”比率和特性。

Description

制造用于航空器构造的可变厚度的结构元件的方法
技术领域
本发明涉及由铝合金制成的轧制产品和结构元件,尤其是用于航空器构造的轧制产品和结构元件。
背景技术
虽然用于航空构造的材料之间的竞争变得激烈,但解决方案选择中的商业标准有时至关重要。制造商主要对飞行中每千克材料的价格感兴趣,飞行中每千克材料的价格对应于每千克的价格与“飞行质量”比率的乘积。“飞行质量”比率是航空器制造商已购买的原材料与飞行结构中安装的原材料之间的比率。对由板制成的铝部件的整体加工有时引起显著的“飞行质量”比率,尤其是部件诸如翼片(panneux de voilure),对于翼片,在翼根区域中比在翼梢处所需要要求的厚度更高。板是一种具有一致厚度的矩形横截面轧制产品。为了制造航空结构元件,不管生产的部件的最终几何形状如何,当前都使用板。该板的几何形状的改型——即使为了节省材料其是合理的——仍未被航空器制造商采用,因为它在制造、控制和管理方面存在缺点且因为它不允许快速直接转移到现有方法。
此外,有利的是,生产在空间上具有可变特性的单块金属结构元件以获得每个区中的特性的最佳平衡。
FR 2707092描述了一种用于制造结构硬化(durcissement)的产品的方法,该产品在至少一个方向上具有连续可变特性,其中通过在专用炉中使一端变到温度T而使另一端变到温度t来在所述至少一个方向上执行老化(le revenu),该专用炉包括一个热室和一个通过加热泵联接的冷室。
WO 2005/098072描述了一种制造方法,其中在炉中执行至少一个老化处理步骤,该炉中受控的热分布包括至少两个区或至少两组区Z1和Z2(具有初始温度T1和T2),其中所述两个区的长度是至少一米。
WO 2007/122314涉及一种用于制造由铝合金制成的锻焊(corroyé)产品或单块多功能结构元件的方法,包括热加工步骤,其特征在于在该热加工步骤之后,它还包括通过冷塑性变形的至少一个加工步骤,在该加工步骤中,不同一般塑性变形被强加在结构元件的至少两个区上,具有至少2%的差且优选地至少3%。然而,此申请中所描述的方法未在工业规模上实施。
此外,US 2005/0279433描述了一种轧制板的方法,以获得沿着其长度的可变厚度,尤其适合用于铝板或镁板。
通过本发明解决的问题是开发一种用于制造由铝合金制成的轧制产品和单块结构元件的方法,尤其是用于航空构造的轧制产品和单块结构元件,所述轧制产品和单块结构元件具有改进的“飞行质量”比率和存在每个部件中的最佳特性的平衡。
发明内容
本发明的第一目的是一种用于制造由可热处理的铝合金制成的可变厚度的轧制产品的方法,其中:
a.浇铸由可热处理的铝合金制成的板坯,
b.可选地,使所述板坯均匀化,
c.热轧制所述可选地均匀化的板坯,通过实现纵长厚度变化以获得可变厚度的轧制产品,该轧制产品具有一个最厚部分和一个最薄部分,所述最厚部分和所述最薄部分的厚度差是至少10%,
d.对所述可变厚度的轧制产品进行固溶并且淬火,
e.通过受控的伸展使如此固溶并且淬火的所述可变厚度的轧制产品释放应力,其中在最厚部分中有至少1%的永久变形,
f.使如此获得的所述轧制产品自然或人工老化。
本发明的另一个目的是一种通过根据本发明所述的方法获得的可变厚度的轧制产品,具有一个最厚部分和一个最薄部分,该最厚部分和该最薄部分的厚度相差至少10%且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力(une limite d’é lasticité)Rp0.2(L)在最薄部分中比在最厚部分中大至少5%且断裂韧性K1C L-T在最厚部分中比在最薄部分中大至少15%。
本发明的又一个目的是将通过根据本发明所述的方法获得的可变厚度的轧制产品作为用于航空器的单块结构元件且优选地作为一个上翼蒙皮或下翼蒙皮的用途。
附图说明
图1:根据本发明的方法获得的可变厚度的轧制产品的不同几何形状的实施例;
图2:实施例的可变厚度的轧制产品在通过受控的伸展释放应力过程中在长度上根据位置的永久变形。
具体实施方式
除非另有说明,以重量百分比表达所有与合金的化学成分相关的指示。合金的名称遵循本领域技术人员已知的铝业协会的规则。在欧洲标准EN 515中定义了冶金状态(états métallurgiques)和热处理。例如在标准EN 573-3中定义了标准化的铝合金的化学成分。通过根据标准NF EN ISO 6892-1的拉伸测试、通过标准EN 485-1定义的采样和测试方向来确定拉伸静态机械特性,换句话说,拉伸强度极限Rm、0.2%伸长率(Rp0.2)时的常规屈服应力和断裂A%时的伸长率。按照标准ASTM E9在压缩下0.2%的塑性变形时测量在压缩下的屈服应力。按照ASTM E399进行平面应变断裂韧性测量K1C。在获得在此标准的范围外的K1C的情况下,指示的K1C的值是KQ,用可取自轧制产品的最厚的CT样品测量的,且该样品的长度/厚度比率是2。
除非另有指定,欧洲标准EN 12258-1的定义适用:具体地,术语“不可热处理的合金”被定义为一种不能够通过热处理充分硬化的合金,而术语“可热处理的合金”被定义用于一种可以通过适当的热处理硬化的合金。
术语“结构元件”指的是在机械工程中使用的元件,对于该元件,静态和/或动态机械特性对于该结构的特性和整体性是特别重要的,且对于该元件,一般规定或执行了结构分析。这通常是一种机械部件,该机械部件的失效可能危及所述构造、其使用者、其用户或其他的安全。在本发明的上下文中,结构元件通常是安装在飞行结构中的一个部件。对于航空器,这些结构元件尤其包括组成机身的部件,诸如,机身蒙皮、纵梁(raidisseur)、隔板以及圆周框架、翼(诸如,上翼蒙皮或下翼蒙皮)、纵梁或加强板、肋和翼梁和尾翼,其中尾翼特别由水平稳定器和竖直稳定器以及地板梁、座椅轨道以及门(porte)组成。
在本发明的范围内,术语“单块结构元件”指的是一种由单件轧制的半成产品获得的而不需要通过例如铆接、焊接或键合来与另一件结构元件组装的结构元件。
根据本发明,通过一种方法获得由可热处理的铝合金制成的可变厚度的轧制产品,其中:
a.浇铸由可热处理的铝合金制成的板坯,
b.可选地,使所述板坯均匀化,
c.热轧制所述可选地均匀化的板坯,通过实现纵长厚度变化以获得可变厚度的轧制产品,该轧制产品具有最厚部分和最薄部分,该最厚部分和该最薄部分厚度差是至少10%,
d.对所述可变厚度的轧制产品进行固溶并且淬火,
e.通过受控的伸展使如此固溶并且淬火的所述可变厚度的轧制产品释放应力,其中在最厚部分中有至少1%的永久变形,
f.使如此获得的所述轧制产品自然或人工老化。
根据本发明的方法对于2XXX系列的合金是特别有利的,对于2XXX系列的合金,通过淬火和老化之间的变形使伸展和压缩特性在老化之后增加。该方法对于含有至少0.5wt%的锂的2XXX系列的合金在T8或T8X冶金回火中是特别有利的,因为对于此类型的合金,淬火和老化之间的变形使拉伸特性在老化之后特别增加。
轧制板坯的均匀化特别有利于避免轧制过程中的断裂,以促进固溶并且更好地控制粒状结构。
对可变厚度执行热轧制以在纵长方向上获得最厚部分和最薄部分之间的至少10%的厚度差。在很大长度(其可达到轧制产品自身的整个长度)上逐步地获得该厚度变化,或通过至少一个相对局部变化获得该厚度变化,虽然如此所述至少一个相对局部变化有助于防止伸展过程中由于应力集中(例如,在0.5m的长度上)引起的破裂。术语“最厚部分”或“最薄部分”指定轧制产品的连续部分,该连续部分在长度上为至少一米,它的平均厚度分别是最高或最低。表达为百分比的厚度差等于最厚部分的厚度和最薄部分的厚度之间的差除以最薄部分的厚度,最厚部分的厚度是最厚部分的平均厚度且最薄部分的厚度是最薄部分的平均厚度。有利地,所述厚度差是至少20%。在本发明的一个实施方案中,所述厚度差是至少30%。通常,最厚部分和最薄部分之间的厚度差为大约2mm或4mm或更多,这取决于厚度。优选地,厚度沿着宽度是均匀的。厚度变化可以在整个轧制产品上连续,如图1a中例示的或具有一致厚度的部分,所述一致厚度的部分通过具有近似一米或更多的长度的可变厚度的部分相互连接,如图1b中例示的。在图1c中例示的本发明的一个实施方案中,所述可变厚度的轧制产品的厚度在两端处是相同的,最厚部分或最薄部分通常位于中间长度处。在此实施方案中,在将轧制产品加工以获得结构元件之前,所述产品在长度的正中位置处被切成两半。此实施方案是有利的,因为在伸展过程中,位于狭口(mor)内的部分的厚度是相同的。
所述轧制产品的厚度有利地是在10mm到50mm之间,且优选地在12mm到30mm之间。在本发明的一个实施方案中,最厚部分具有在20mm到30mm之间的厚度,且最薄部分具有在10mm到20mm之间的厚度。
有利地,所述轧制产品的长度是在5m到40m之间,且优选地在10m到30m之间。
轧制产品的固溶方法的持续时间和温度足以确保固溶在产品的最厚部分中符合要求。因此,同样在最薄部分中确保固溶。
类似地,为该产品的最厚部分设定淬火程度。
在淬火之后,通过受控的伸展使内部应力释放。事实上,获得的具有可变厚度的轧制产品必须被切割和/或机械加工以生产结构元件,特别的是用于航空器的结构元件。并且在这些步骤过程中,内部应力必须是最小的。因此,需要最厚部分中的至少1%的永久变形。此外,在2XXX系列合金中,此永久变形通常是获得目标机械特性的先决条件。
在对可变厚度的产品进行受控伸展过程中,所述变形根据长度的位置变化。由于对获得的产品的控制问题,此变化已经被认定为一个困难。然而,出人意料地,此变化在获得具有整体最佳特性的产品中是一个优点。因此,该永久变形在厚部分中比在薄部分中更低。通常,当最厚部分的永久变形是至少1%时,最薄部分的永久变形是至少3%。不过,对于大多数2XXX合金,较大的永久变形导致较大的机械强度,但是当该变形较少时,断裂韧性是高的,尤其是对T8回火。然而,在超过一个特定阈值后,在受控伸展过程中通过永久变形获得的机械强度的增益变得低且平衡特性的优点因此可忽略,同时与实现高应变率相关联的实际问题是有意义的。有利地,最薄部分的永久变形因此是至多8%且优选地是至多6%。对于航空结构元件诸如下翼蒙皮或上翼蒙皮,所述期望的特性是在翼梢处的高机械强度(résistance mécanique)和足够的断裂韧性以及在翼根处的高断裂韧性和足够的机械强度。此外,对于翼片,翼根处需要的厚度大于翼梢处。以此方式,与现有技术的由金属板机械加工的结构元件相比,所述结构元件具有更接近于源自本发明的方法的轧制产品的形状。有利地,在源自根据本发明的方法的轧制产品和结构元件之间通过机械加工移除的材料(即铝合金)的体积比在板和相同结构元件之间将移除的材料的体积低至少10%,优选地低至少15%。优选地,结构元件的凸状外封(enveloppe)从源自本发明的方法的轧制产品不会偏离多于8mm且优选地不会多于5mm。一个对象的凸状外封是在其含有的那些之中最小的凸状变形,凸状变形是几何对象使得每次取两个点A和B,连结它们的段[A,B]完全被包含在其中。因此,根据本发明的方法带来特别好地适合于航空器制造商需要的结构元件(尤其是翼片):在具有最高断裂韧性的区域中厚度最大,这适于翼根,且在具有最低机械强度的区域中厚度最低,这将适于翼梢。因此同时提高了“飞行质量”比率和产品的特性;然而,优选地,基于所需的最终特性、考虑在伸展过程中具有永久变形的最终特性的改变来选择多种部分的厚度,而并非根据结构元件的形状变化。
有利地,永久变形在受控伸展过程中在最厚部分中是在1%到3%之间而在最薄部分中是在4%到6%之间。
在通过受控伸展进行压力释放之后,使具有变化厚度的轧制产品自然老化以获得T3或T3X回火或使其人工老化。优选地,所述老化引起T8或T8X回火。
2XXX系列的合金,AA2022、AA2023、AA2024、AA2024A、AA2124、AA2224、AA2324、AA2424、AA2524、AA2026和AA2027特别适合于在T3或T3X回火实施根据本发明的方法。
2XXX系列的合金,AA2618、AA2219、AA2519、AA2124、AA2139、AA2050、AA2055、AA2060、AA2076、AA2090、AA2091、AA2094、AA2095、AA2195、AA2295、AA2196、AA2296、AA2097、AA2197、AA2297、AA2397、AA2098、AA2198、AA2099和AA2199特别适合于在T8或T8X回火实施根据本发明的方法。
如此获得的所述可变厚度的轧制产品有利地用于制造用于航空器的单块结构元件。如此获得的结构元件展示了最厚部分中的和最薄部分中的有利特性。通过根据本发明的方法可获得的可变厚度的轧制产品用于制造上翼蒙皮或下翼蒙皮的用途是特别有利的。
通过根据本发明的方法获得的可变厚度的轧制产品展示一个最厚部分和一个最薄部分,最厚部分和最薄部分的厚度相差至少10%且在中间厚度处具有以下特性:最薄部分中的拉伸屈服应力Rp0.2(L)比最厚部分中的拉伸屈服应力Rp0.2(L)大至少5%,且最厚部分中的断裂韧性K1C L-T比最薄部分中的断裂韧性K1C L-T大至少15%。有利地,当最薄部分中的拉伸屈服应力Rp0.2(L)比最厚部分中的拉伸屈服应力Rp0.2(L)大至少5%时,最厚部分中的断裂韧性K1C L-T比最薄部分中的断裂韧性K1C L-T大至少40%时,且当最厚部分中的断裂韧性K1C L-T比最薄部分中的断裂韧性K1C L-T大至少15%时,最薄部分中的拉伸屈服应力Rp0.2(L)比最厚部分中的拉伸屈服应力Rp0.2(L)大至少25%时。从根据此实施方案的轧制产品获得的翼蒙皮是特别有利的。
在本发明的一个实施方案中,用含有至少0.5wt%的锂的2XXX合金且有利地选自AA2050、AA2060、AA2076、AA2196和AA2296的合金获得可变厚度的轧制产品,并且为T8和T8X回火呈现一个最厚部分和一个最薄部分,该最厚部分和该最薄部分相差至少10%且该轧制产品的最厚部分具有在20mm到30mm之间的平均厚度且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>340MPa且优选地拉伸屈服应力Rp0.2(L)>360MPa且断裂韧性K1C L-T>41MPa m1/2且优选地断裂韧性K1C L-T>44MPa m1/2且该轧制产品的最薄部分具有的平均厚度在10mm到20mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>440MPa且优选地拉伸屈服应力Rp0.2(L)>480MPa且K1C L-T>28MPa m1/2且优选地K1C L-T>32MPa m1/2。从根据此实施方案获得的轧制产品获得的下翼蒙皮是特别有利的。
在本发明的另一个实施方案中,用含有至少0.5wt%的锂的2XXX合金且有利地选自AA2195、AA2295和AA2055的合金获得可变厚度的轧制产品,且为T8或T8X回火呈现一个最厚部分和一个最薄部分,该最厚部分和该最薄部分相差至少10%且该轧制产品的最厚部分具有在20mm到30mm之间的平均厚度且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>580MPa且优选地拉伸屈服应力Rp0.2(L)>590MPa且K1C L-T>30MPa m1/2且优选地K1C L-T>32MPa m1/2且该轧制产品的最薄部分具有的平均厚度在10mm到20mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>600MPa且优选地拉伸屈服应力Rp0.2(L)>625MPa且K1C L-T>18MPa m1/2且优选地20MPa m1/2。从根据此实施方案获得的轧制产品获得的上翼蒙皮是特别有利的。
实施例
在此实施例中,对于多种合金,生产在长度上测量为20m的轧制产品,该轧制产品的厚度在厚度15.7mm的一端和厚度22mm的另一端之间连续变化。
考虑了三种合金:合金AA2195、AA2050和AA2196。合金2196具有通常2.64的密度,对照其他两种合金具有近似2.70的密度。合金2196对疲劳裂纹扩展的抵抗力大于合金2050对疲劳裂纹扩展的抵抗力。
浇铸由AA2195、AA2050和AA2196合金制成的板且使其均匀化。热轧制板坯以便获得在长度上测量为20m的轧制产品,该轧制产品的厚度在15.7mm的一端和厚度22mm的另一端之间连续变化。固溶和淬火如此获得的该可变厚度的轧制产品。然后通过受控伸展使如此固溶的且淬火的可变厚度的轧制产品释放应力。在图2中基于沿着长度的位置呈现所获得的永久变形,15.7mm的厚度对应于“0m”位置且22mm对应于位置“20m”。然后使该轧制产品老化到T8回火。
在表1中呈现在每个端处获得的、在中间厚度处测量的机械特性。
表1-中间厚度处获得的机械特性
对于合金AA2195,屈服应力Rp0.2L在最薄部分中比在最厚部分中大8%且断裂韧性K1C L-T在最厚部分中比在最薄部分中大50%。对于合金AA2050,屈服应力Rp0.2L在最薄部分中比在最厚部分中大33%且断裂韧性K1C L-T在最厚部分中比在最薄部分中大18%。对于合金AA2196,屈服应力Rp0.2L在最薄部分中比在最厚部分中大29%且断裂韧性K1C L-T在最厚部分中比在最薄部分中大47%。合金AA2196还具有密度小于合金AA2050的优点。

Claims (20)

1.一种用于制造由可热处理的铝合金制成的可变厚度的轧制产品的方法,其中:
a.浇铸由可热处理的铝合金制成的板坯,
b.可选地,使所述板坯均匀化,
c.热轧制所述可选地均匀化的板坯,通过实现纵长厚度变化以获得一个可变厚度的轧制产品,该轧制产品具有一个最厚部分和一个最薄部分,所述最厚部分和所述最薄部分的厚度差是至少10%,
d.对所述可变厚度的轧制产品进行固溶并且淬火,
e.通过受控的伸展使如此固溶并且淬火的所述可变厚度的轧制产品释放应力,其中在最厚部分中有至少1%的永久变形,
f.使如此获得的所述轧制产品自然老化或人工老化。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述轧制产品的厚度是在10mm到50mm之间。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法,其中在受控的伸展过程中的所述永久变形在最厚部分中是在1%到3%之间且在最薄部分中是在4%到6%之间。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法,其中所述轧制产品的厚度在两端处相同,所述最厚部分或所述最薄部分位于中间长度处。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的制造方法,其中所述合金是2XXX合金。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述合金含有至少0.5wt%的锂且在人工老化之后获得的冶金回火是T8或T8X。
7.根据权利要求1所述的方法,其中所述轧制产品的厚度是在12mm到30mm之间。
8.通过根据权利要求1到7中的任一项所述的方法获得的可变厚度的轧制产品,具有一个最厚部分和一个最薄部分,该最厚部分和该最薄部分的厚度相差至少10%且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)在最薄部分中比在最厚部分中大至少5%且断裂韧性K1C L-T在最厚部分中比在最薄部分中大至少15%。
9.通过根据权利要求6所述的方法可获得的根据权利要求8的可变厚度的轧制产品,具有一个最厚部分和一个最薄部分,该最厚部分和该最薄部分的厚度相差至少10%且该轧制产品的最厚部分具有的平均厚度在20mm到30mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>340MPa且K1C L-T>41MPa m1/2,且该轧制产品的最薄部分具有的平均厚度在10mm到20mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>440MPa且K1C L-T>28MPa m1/2
10.根据权利要求9所述的轧制产品,其中所述热处理的铝合金选自AA2050、AA2060、AA2076、AA2196和AA2296。
11.通过根据权利要求6所述的方法可获得的根据权利要求8的可变厚度的轧制产品,具有一个最厚部分和一个最薄部分,该最厚部分和该最薄部分的厚度相差至少10%且该轧制产品的最厚部分具有的平均厚度在20mm到30mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>360MPa且K1C L-T>44MPa m1/2,且该轧制产品的最薄部分具有的平均厚度在10mm到20mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>480MPa且K1CL-T>32MPa m1/2
12.通过根据权利要求6所述的方法可获得的根据权利要求8所述的可变厚度的轧制产品,具有一个最厚部分和一个最薄部分,该最厚部分和该最薄部分的厚度相差至少10%且该轧制产品的最厚部分具有的平均厚度在20mm到30mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>580MPa且K1C L-T>30MPa m1/2,且该轧制产品的最薄部分具有的平均厚度在10mm到20mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>600MPa且K1C L-T>18MPa m1/2
13.根据权利要求12所述的轧制产品,其中所述可热处理的铝合金选自AA2195、AA2295和AA2055。
14.通过根据权利要求6所述的方法可获得的根据权利要求8所述的可变厚度的轧制产品,具有一个最厚部分和一个最薄部分,该最厚部分和该最薄部分的厚度相差至少10%且该轧制产品的最厚部分具有的平均厚度在20mm到30mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>590MPa且K1C L-T>32MPa m1/2,且该轧制产品的最薄部分具有的平均厚度在10mm到20mm之间且在中间厚度处具有以下特性:拉伸屈服应力Rp0.2(L)>625MPa且K1C L-T>20MPa m1/2
15.一种从根据权利要求9-11中任一项所述轧制产品获得的下翼蒙皮。
16.一种从根据权利要求12-14中任一项所述的轧制产品获得的上翼蒙皮。
17.通过根据权利要求1到7中的任一项权利要求所述的方法获得的可变厚度的轧制产品用于制造用于航空器的单块结构元件的用途。
18.根据权利要求17所述的用途,其中在所述轧制产品和所述结构元件之间将通过加工被移除的材料的体积比在金属板和相同结构元件之间将被移除的材料的体积低至少10%,和/或所述结构元件的凸状外封从所述轧制产品不会偏离多于8mm。
19.根据权利要求17所述的用途,其中所述单块结构元件为一个上翼蒙皮或下翼蒙皮。
20.根据权利要求17所述的用途,其中在所述轧制产品和所述结构元件之间将通过加工被移除的材料的体积比在金属板和相同结构元件之间将被移除的材料的体积低至少15%,和/或所述结构元件的凸状外封从所述轧制产品不会偏离多于5mm。
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