CN107716918A - 一种AlSi10Mg粉末材料及其制备方法和其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印用AlSi10Mg粉末材料及其制备方法，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Si 9.0～11.5％，Mg 0.2～0.50％，余量为铝。本发明采用惰性气体雾化法制备粉末材料，采用高速气流将粉末材料的高温熔炼液破碎成小液滴后快速冷却，使其凝固成金属粉末，制得的金属粉末经筛分进行粒度分级，即得。本发明的AlSi10Mg粉末材料达到工业级金属3D打印用粉末材料的质量要求，并具有纯度高、杂质含量少、合金成分均匀、氧含量低；球形度高、卫星球少；粉末粒度分布均匀、质量可控、粉末性能优异等优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属3D打印用粉末材料领域，具体涉及一种AlSi10Mg粉末材料及其制备方法和其应用。
背景技术
3D打印为新兴的、迅速发展的快速成型制造技术，广泛用于制造军工、航空航天、生物医学等领域的现代模型、模具和零部件等，其突出优点在于无需或少需机械加工或模具，能够直接从计算机图形数据中生成复杂结构和形状的零件，显著缩短产品的研制周期，提高原料的利用效率与生产效率，降低生产成本。
3D打印材料须具备能够液化、粉末化、丝化、打印完成后又能重新结合等理化特性。金属零件3D打印技术作为先进制造技术的重要发展方向，市场潜力大，市场需求迫切。
3D打印金属粉末包括不锈钢粉末、钛合金粉末、镍基合金粉末、铝合金粉末等。铝合金粉末为轻金属材料，以其优良的物理、化学和力学性能，广泛用于制造航空航天、高速列车及轻型汽车等领域的现代模型、模具、关键零部件与复杂零部件等。但常用于3D打印的铝合金粉末极易氧化，需在其制备过程中采取有效的控氧措施，避免产生氧化膜。如何有效控制铝合金粉末中的氧含量成为粉末材料制备中的技术难题。
3D打印金属粉末存在制备难度大、产量小、产品性能低等问题。郑增、王联凤等(“3D打印金属材料进展”，《上海有色金属》，第37卷第1期)研究了铝合金粉末材料的铝粉氧化、空心粉缺陷等问题，但仍没有清晰揭示缺陷产生的原因及雾化规律。因此，研发高质量的3D打印金属粉末及其制备方法尤为重要。
AlSi10Mg粉末材料具有工艺性良好，密度小，抗蚀性好等优点，并符合中国标准(B/T 1173、HB 962、HB 5012、GB/T 1480、GB/T 1482、GB/T 1479、HB 5441.1等)和美国标准(ASTM F3049、ASTM B212、ASTM B213等)的质量要求，主要用于制造航空及其他工业领域的机匣、框架、缸体等金属零件，其制备工艺包括3D打印/增材制造、粉末冶金(PM)、注射成型(MIM)、热等静压(HIP)、喷涂(SP)、焊接修复等。
CN103785860 A公开了一种3D打印机用的金属粉末，该金属粉末先采用物理气相沉积法或化学气相沉积法制备成平均粒径为0.1-3微米的亚微米级金属粉末，再通过造粒团聚成平均粒径为10-50微米的3D打印机用金属粉末，该制得粉末具有熔点低和熔融速度快等优点，用于提高金属3D打印机的打印速度和打印构件的精度。金属粉末的平均粒径与3D打印机用的雾化金属粉相当，具有良好的分散性和输送性，用作3D打印用粉末。
CN103480854 A公开了一种制备超细金属粉末的方法，包括熔炼、雾化、冷却、固液分离等步骤，其中，雾化介质选自水、氮气、氦气或氩气等，制得的金属粉末或合金粉末粒径小于10μm，且其占比在50％以上、球形度在90％以上、氧含量小于100ppm，该粉末具有耗气量小，冷却效率高，设备要求度不高等优点，符合金属注射成型、热喷涂、热喷焊、3D打印用金属粉末或合金粉末的质量要求。
CN102689015 A公开了一种金属粉末制备装置及方法，该装置包括雾化炉、加热器、冷却器、雾化室、雾化器、气动分级器、中间仓、筛分漏斗、筛机、除尘器、平衡罐、列管换热器、真空获得设备、控制系统、输液管、导管、管道、气体管道、气动蝶阀和电磁阀等。制备方法步骤包括气氛准备、金属熔炼、输液、离心雾化、气动分级、机械筛分、气体净化与冷却等，金属熔化处理后浇到雾化器上进行离心雾化形成粉末，粉末被气动分级器分级，经分级后的粗粉经过机械筛分制得成品粉，细粉被气流送入除尘器中除尘净化，净化后的气体经高压离心风机驱动获得加速，通过列管换热器换热后重新参与雾化与分级，并用于连续生产-320目以下的球形粉体，氧含量≤80ppm。
CN105710380A公开了一种含铝金属打印粉末，其合金组成为AlSi10Mg，通过向合金材料中添加碳纳米管，解决了基地与添加材料的润湿性问题，将碳纳米管均匀分布于金属粉末中，制得材料具有良好的耐磨性能和抗疲劳性能。
CN105463352A公开了一种以AlSi10Mg为基底的3D打印薄壁件的热处理方法，将薄壁件经退火处理和高低温循环处理，使薄壁的内部组织更加均匀、稳定，降低了零件内应力，提高零件尺寸在不同温度下的稳定性，保证了产品品质，使零件尺寸在不同温度调节下变化最小。
前述文献公开的技术内容均作为本发明的参考。前述文献仅公开了AlSi10Mg用作3D打印粉的通用成分，并未筛选优化粉末材料的组成与配比，且其粉末材料中的氧含量相对较高(如1000-2000ppm)，杂质元素偏高(如Fe元素含量≥0.40％，C元素含量≥0.01％)。
AlSi10Mg粉末材料制备中存在的技术难题包括铝粉氧化、空心粉和流动性等。空心粉受雾化过程中的粉末凝固速度影响，粒径较大的颗粒更易形成空心粉；流动性影响3D打印时的铺粉效果与打印件的性能。为此，解决AlSi10Mg粉末材料中的铝粉氧化、空心粉和流动性等问题对于提高3D打印时的铺粉效果与打印件的性能尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种AlSi10Mg粉末材料，其特征在于，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Si 9.0～11.5％，Mg 0.2～0.50％，余量为铝。
本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为Si 9.5-11.0％，Mg 0.25～0.45％，余量为铝。
本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为硅10.0-10.5wt％，Mg0.30-0.40wt％，余量为铝。
本发明的优选技术方案中，所述粉末材料的原料选自铝硅合金，铝锭、镁锭的任一种或其组合。
本发明的优选技术方案中，所述铝硅合金中Si的含量为10-13wt％，优选为11-12wt％。
本发明的优选技术方案中，所述铝锭中Al的含量为≥99.10％，优选为≥99.99％。
本发明的优选技术方案中，所述镁锭中Mg的含量为≥99.10％，优选为≥99.95％。
本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中还含有其他杂质，所述其他杂质的组成及含量为，Fe≤0.38，Mn≤0.45，Cu≤0.2，Ni≤0.1，Pb≤0.08，Zn≤0.3，Sn≤0.1，Ti≤0.15。
本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中其他杂质的组成及含量为，Fe≤0.25，Mn≤0.30，Cu≤0.15，Ni≤0.05，Pb≤0.05，Zn≤0.15，Sn≤0.05，Ti≤0.10。
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本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中其他杂质的组成及含量为，Fe≤0.10，Mn≤0.10，Cu≤0.05，Ni≤0.01，Pb≤0.01，Zn≤0.05，Sn≤0.01，Ti≤0.01。
本发明的优选技术方案中，所述的粉末材料粒径分布为D105-30μm，D5020-45μm，D9045-70μm。
本发明的优选技术方案中，所述的粉末材料粒径分布为D1010-25μm，D5025-40μm，D9050-65μm。
本发明的优选技术方案中，所述的粉末材料粒径分布为D1015-20μm，D5030-35μm，D9055-60μm。
本发明的优选技术方案中，所述粉末材料的空心粉含量为＜1.0％，优选为＜0.5％，更优选为＜0.2％。
本发明的优选技术方案中，所述粉末材料的氧含量≤1000ppm，优选粉末材料的氧含量≤800ppm，更优选粉末材料的氧含量≤600ppm，另优选粉末材料的氧含量不高于400ppm，最优选粉末材料的氧含量≤200ppm。
本发明制得的AlSi10Mg粉末材料达到工业级金属3D打印用粉末材料的质量要求。
本发明的目的在于提供一种AlSi10Mg粉末材料的制备方法，其特征在于，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Si 9.0～11.5％，Mg 0.2～0.50％，余量为铝，所述粉末材料采用惰性气体雾化法制粒，包括下述步骤：(1)称取所需量的原料铝硅合金、铝锭、镁锭，将其置于熔炼装置中；(2)将熔炼装置抽真空，至其真空度≤10Pa，再充入惰性气体至大气压；(3)将铝硅合金、铝锭、镁锭置于800-1350℃条件下熔炼成熔炼液后，再将熔炼液置于750-1200℃条件下保温静置10-100min，制得合金熔炼液；(4)在熔炼装置中充入惰性气体，将制得的合金熔炼液用高速惰性气流雾化，将其破碎成小液滴后快速冷却，使其凝固成金属粉末；(5)收集制得的金属粉末，经筛分进行粒度分级，即得。
本发明的优选技术方案中，所述铝硅合金中Si的含量为10-13wt％，优选为11-12wt％。
本发明的优选技术方案中，所述铝锭中Al的含量为≥99.10％，优选为≥99.99％。
本发明的优选技术方案中，所述镁锭中Mg的含量为≥99.10％，优选为≥99.95％。
本发明的优选技术方案中，所述惰性气体选自氮气、氩气、氦气的任一种或其组合。
本发明的优选技术方案中，所述熔炼温度为850-1250℃，优选为950-1150℃，更优选为1000-1050℃。
本发明的优选技术方案中，所述保温温度为800-1100℃，优选为850-1000℃，更优选为900-950℃。
本发明的优选技术方案中，所述雾化时间为20-90min，优选为30-80min，更优选为40-70min。
本发明的优选技术方案中，所述雾化压力为1.0-3.5MPa，优选为1.5-3.0MPa，更优选为2.0-2.5MPa。
本发明的优选技术方案中，所述的筛分为过筛，优选过筛不少于两次。
本发明的优选技术方案中，第一筛网的孔径为150-400目，优选为200-350目，更优选为250-300目。
本发明的优选技术方案中，第二筛网的孔径为400-700目，优选为450-650目，更优选为500-600目。
本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中还含有其他杂质，所述其他杂质的组成及含量为，Fe≤0.38，Mn≤0.45，Cu≤0.2，Ni≤0.1，Pb≤0.08，Zn≤0.3，Sn≤0.1，Ti≤0.15。
本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中其他杂质的组成及含量为，Fe≤0.25，Mn≤0.30，Cu≤0.15，Ni≤0.05，Pb≤0.05，Zn≤0.15，Sn≤0.05，Ti≤0.10。
本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中其他杂质的组成及含量为，Fe≤0.15，Mn≤0.15，Cu≤0.10，Ni≤0.03，Pb≤0.02，Zn≤0.10，Sn≤0.02，Ti≤0.05。
本发明的优先技术方案中，所述粉末材料中其他杂质的组成及含量为，Fe≤0.10，Mn≤0.10，Cu≤0.05，Ni≤0.01，Pb≤0.01，Zn≤0.05，Sn≤0.01，Ti≤0.01。
本发明的优选技术方案中，所述的粉末材料粒径分布为D105-30μm，D5020-45μm，D9045-70μm。
本发明的优选技术方案中，所述的粉末材料粒径分布为D1010-25μm，D5025-40μm，D9050-65μm。
本发明的优选技术方案中，所述的粉末材料粒径分布为D1015-20μm，D5030-35μm，D9055-60μm。
本发明的优选技术方案中，所述粉末材料的空心粉含量为＜1.0％，优选为＜0.5％，更优选为＜0.2％。
本发明的优选技术方案中，所述粉末材料的氧含量≤1000ppm，优选粉末材料的氧含量≤800ppm，更优选粉末材料的氧含量≤600ppm，另优选粉末材料的氧含量不高于400ppm，最优选粉末材料的氧含量≤200ppm。
本发明的目的在于提供本发明的AlSi10Mg粉末材料用于3D打印、粉末冶金(PM)、注射成型(MIM)、热等静压(HIP)、喷涂(SP)、焊接修复的任一种耗材中的应用。
本发明AlSi10Mg粉末材料制成的3D打印件具有密度小、工艺性与抗蚀性均十分良好等优点，优选用作选区激光熔化方式3D打印的金属基粉末材料。
本发明的优选技术方案中，所述AlSi10Mg粉末材料用于制备航空、仪表、机械中的铸件，优选用作3D打印的金属基粉末材料，更优选用于制备汽车发动机的缸盖、进气歧管、活塞、轮毂、转向助力器壳体、涡轮盘的铸件中的任一种。
为了清楚地表述本发明的保护范围，本发明对下述术语进行如下界定。
本发明所述的中值粒径以激光粒度仪测量粉体粒度D50值来衡量，表示粉末粒径在D50值以下的粉末数量占粉末总量的50％。
本发明所述的D10值表示粉末粒径在D10值以下的粉末数量占粉末总量的10％。
本发明所述的D90值表示粉末粒径在D90值以下的粉末数量占粉末总量的90％。
本发明的AlSi10Mg表示铝硅合金中Si元素的质量分数约为10％。
本发明采用惰性气体雾化法制备粉末材料，采用高速气流将粉末材料的高温熔炼液破碎成小液滴后快速冷却，使其凝固成金属粉末，制得的金属粉末经筛分进行粒度分级，即得。
本发明参照激光衍射分析法(ASTM B822-10)利用激光衍射法，通过英国马尔文3000粒度分析仪检测粉末材料的粒径。
本发明参照QB-QT-36-2014标准，通过惰气脉冲红外热导法检测粉末材料的氧含量。
本发明通过ICP-AES法，参照GB/T 20975.25-2008标准检测AlSi10Mg粉末材料中的杂质成分。
本发明采用金相观察方法检测空心粉含量，利用image-pros软件计量金相图中(200倍)空心粉个数占金相图总颗粒个数的比值，比值为多张(≥20张)金相图统计数值取平均值。
本发明AlSi10Mg粉末材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率等性能参数按照GB/T228-2002标准规定进行检测。
除非另有说明，本发明涉及液体与液体之间的百分比时，所述的百分比为体积/体积百分比；本发明涉及液体与固体之间的百分比时，所述百分比为体积/重量百分比；本发明涉及固体与液体之间的百分比时，所述百分比为重量/体积百分比；其余为重量/重量百分比。
与现有技术相比，本发明的AlSi10Mg粉末具有下述有益效果：
1、本发明以铝硅合金、铝锭、镁锭为原材料，采用惰性气体雾化法制粒，制得的AlSi10Mg粉末材料具有纯度高、杂质含量少、合金成分均匀、氧含量低；球形度高、卫星球少；粉末粒度分布均匀、质量可控、粉末性能优异等优点，可用作EOS，SLM Solutions，Concept Laser，Renishaw，Phenix Systems，Arcam AB，Z Corp，Extrudehone，3Dsystems，ExOne、鑫精合、隆源、铂力特、华曙高科、滨湖机电、多能正光等品牌金属3D打印机的耗材。
2、本发明制得的AlSi10Mg粉末材料达到工业级金属3D打印用粉末材料的质量要求，用于航空及其他工业部门的机匣、框架、缸体等的3D打印制造，制成的3D打印件具有密度小、工艺性与抗蚀性均十分良好等优点，可用作选区激光熔化方式3D打印的金属基粉末材料。
3、本发明制得的AlSi10Mg粉末材料可用于3D打印、增材制造、粉末冶金(PM)、注射成型(MIM)、热等静压(HIP)、喷涂(SP)、焊接修复中的任一种耗材中的应用。
4、本发明的AlSi10Mg粉末材料用于制备航空、仪表、机械中的铸件，优选用作3D打印的金属基粉末材料，更优选用于制备汽车发动机的缸盖、进气歧管、活塞、轮毂、转向助力器壳体、涡轮盘的铸件中的任一种。
附图说明
图1实施例1制得AlSi10Mg粉末材料的粒度分布。
图2实施例2制得AlSi10Mg粉末材料的粒度分布。
具体实施方式
以下将结合实施例具体说明本发明的雾化过程，本发明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明的实质。
实施例1-9中AlSi10Mg粉末材料的组成见表1。
表1实施例1-9中AlSi10Mg粉末材料的组成
实施例1 AlSi10Mg粉末材料的制备
采用惰性气雾化法制粒制备AlSi10Mg粉末材料，包括下述步骤：
(1)按照表1称取所需量的原料铝硅合金、铝锭、镁锭，将其置于熔炼坩埚中；
(2)将熔炼坩埚抽真空至其真空度为3.2Pa后，充入氩气至微正压；
(3)在860℃条件下将铝硅合金、精铝锭、镁锭熔炼成溶液，将制得的熔炼液在810℃条件下保温静置40min，制得合金熔炼液；
(4)往熔炼坩埚中通入氩气至其压力为2.0MPa，将制得的合金熔炼液进行雾化；
(5)雾化结束后，关闭均压阀，向炉体内吹入氩气至大气压，收集制得的金属粉末材料；
(6)将制得的金属粉末经两次筛分进行粒度分级，其中，第一筛网的孔径为250目，第二筛网的孔径为500目，收集两次筛分所得的金属粉末，均匀混合，即得。
实施例2 AlSi10Mg粉末材料的制备
采用惰性气雾化法制粒制备AlSi10Mg粉末材料，包括下述步骤：
(1)按照表1称取所需量的原料铝硅合金、铝锭、镁锭，将其置于熔炼坩埚中；
(2)将熔炼坩埚抽真空至其真空度为3.5Pa后，再充入氮气至大气压；
(3)在850℃条件下将铝硅合金、铝锭、镁锭熔炼成溶液，将制得的熔炼液在800℃条件下保温35min，制得合金熔炼液；
(4)往熔炼坩埚中通入氩气至其压力为2.5MPa，将制得的合金熔炼液进行雾化；
(5)雾化结束后，关闭均压阀，向炉体内吹入氮气至微正压，收集制得的金属粉末材料；
(6)将制得的金属粉末经两次筛分进行粒度分级，其中，第一筛网的孔径为300目，第二筛网的孔径为500目，收集两次筛分所得的金属粉末，均匀混合，即得。
实施例3-8 AlSi10Mg粉末材料的制备
实施例3-6AlSi10Mg粉末材料的制备工艺同实施例1，实施例7-8AlSi10Mg粉末材料的制备工艺同实施例2。
实施例9 AlSi10Mg粉末材料的制备
采用惰性气雾化法制粒制备AlSi10Mg粉末材料，包括下述步骤：
(1)按照表1称取所需量的原料铝硅合金、铝锭、镁锭，将其置于熔炼坩埚中；
(2)将熔炼坩埚抽真空至其真空度为2.8Pa后，再充入氦气至大气压；
(3)在900℃条件下将铝硅合金、铝锭、镁锭熔炼成溶液，将制得的熔炼液在850℃条件下保温30min，制得合金熔炼液；
(4)往熔炼坩埚中通入氦气至其压力为2.8MPa，将制得的合金熔炼液进行雾化；
(5)雾化结束后，关闭均压阀，向炉体内吹入氦气至大气压，收集制得的金属粉末材料；
(6)将制得的金属粉末经两次筛分进行粒度分级，其中，第一筛网的孔径为250目，第二筛网的孔径为550目，收集两次筛分所得的金属粉末，均匀混合，即得。
实施例10 AlSi10Mg粉末材料的检测
通过惰气脉冲红外热导法，参照QB-QT-36-2014标准检测实施例1-9制得AlSi10Mg粉末材料的氧含量；通过ICP-AES法，参照GB/T 20975.25-2008标准检测实施例1-9制得AlSi10Mg粉末材料的杂质成分；参照激光衍射分析法ASTM B822-10，通过马尔文3000粒度仪检测实施例1-9制得AlSi10Mg粉末材料的粒度结果见表2。
表2实施例1-9制得的AlSi10Mg粉末材料检测结果
实施例11 AlSi10Mg粉末材料打印件的性能检测
将实施例1-9制得粉末材料采用EOS M290 3D打印机进行打印试棒，将制得的打印试棒经相同热处理后，采用GB/T 228.1-2010标准对各试棒进行拉伸试验，结果见表3。
表3 AlSi10Mg粉末材料力学性能
由表3可见，本发明制得的AlSi10Mg粉末材料的打印性能良好，其打印件抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥250MPa，伸长率≥8.5％。
以上为本发明的优选实例，但本发明的实施并不限于上述实例。本领域人员阅读了上述内容后，任何对于本发明的修改和替代，都可被认为处于本发明的权利要求限定范围内。
Claims (10)
1.一种AlSi10Mg粉末材料，其特征在于，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Si 9.0～11.5％，Mg 0.2～0.50％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的AlSi10Mg粉末材料，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为Si 9.5-11.0％，Mg 0.25～0.45％，余量为铝。
3.根据权利要求1或2所述的AlSi10Mg粉末材料，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为硅10.0-10.5wt％，Mg 0.30-0.40wt％，余量为铝。
4.根据权利要求1-3任一项所述的AlSi10Mg粉末材料，所述粉末材料的原料选自铝硅合金，铝锭、镁锭的任一种或其组合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的AlSi10Mg粉末材料，所述铝硅合金中Si的含量为10-13wt％，优选为11-12wt％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的AlSi10Mg粉末材料，所述铝锭中Al的含量为≥99.10％，优选为≥99.99％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的AlSi10Mg粉末材料，所述镁锭中Mg的含量为≥99.10％，优选为≥99.95％。
8.根据权利要求1-7任一项所述的AlSi10Mg粉末材料，所述粉末材料中还含有其他杂质，所述其他杂质的组成及含量为，Fe≤0.38，Mn≤0.45，Cu≤0.2，Ni≤0.1，Pb≤0.08，Zn≤0.3，Sn≤0.1，Ti≤0.15。
9.一种权利要求1-8任一项所述AlSi10Mg粉末材料的制备方法，其特征在于，所述粉末材料中主要合金元素的质量分数为：Si 9.0～11.5％，Mg 0.2～0.50％，余量为铝，所述粉末材料采用惰性气体雾化法制粒，包括下述步骤：(1)称取所需量的原料铝硅合金、铝锭、镁锭，将其置于熔炼装置中；(2)将熔炼装置抽真空，至其真空度≤10Pa，再充入惰性气体至大气压；(3)将铝硅合金、铝锭、镁锭置于800-1350℃条件下熔炼成熔炼液后，再将熔炼液置于750-1200℃条件下保温静置10-100min，制得合金熔炼液；(4)在熔炼装置中充入惰性气体，将制得的合金熔炼液用高速惰性气流雾化，将其破碎成小液滴后快速冷却，使其凝固成金属粉末；(5)收集制得的金属粉末，经筛分进行粒度分级，即得。
10.权利要求1-8任一项所述的AlSi10Mg粉末材料或者权利要求9制得的AlSi10Mg粉末材料用于3D打印、粉末冶金(PM)、注射成型(MIM)、热等静压(HIP)、喷涂(SP)、焊接修复的任一种耗材中的应用，优选用作选区激光熔化方式3D打印的金属基粉末材料，更优选用于制备航空、仪表、机械中的铸件，优选用作3D打印的金属基粉末材料，还优选用于制备汽车发动机的缸盖、进气歧管、活塞、轮毂、转向助力器壳体、涡轮盘的铸件中的任一种。
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