CN109763042B - 一种非晶合金增强的复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非晶合金增强的复合材料,所述复合材料为铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金为增强体,铝合金为基体,该混合非晶合金均匀的分散在铝合金中;该铝合金基体的化学成分的重量百分含量:Mg为15%~18%,Si为0.009~0.01%,Fe为0.01%~0.05%,Cr为8.5%~9.5%,Y为0%~0.09%,Ni为1%~2%,B为0.003%~0.09%,其余为Al。在本发明中,复合材料将铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金作为增强体,通过有效的制备方式将两种非晶合金结合作为增强共同体,不仅能有效提高复合材料的抗拉强度,还能有效提高韧性,并且使得复合材料的耐腐蚀性大大增加。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域,涉及一种非晶合金增强的复合材料,特别是涉及一种非晶合金增强的复合材料的制备方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量、耐磨性及尺寸稳定性好等优异的性能。作为一种新型的结构材料,在航空航天、汽车、通信行业等领域具有广泛的应用前景,还可以作为高级涂料的添加剂。然而,由于颗粒增强铝基复合材料塑形和韧性较差,这限制了其在结构材料方面的应用。如何提高其塑形和韧性,一直是研究者追求的目标。颗粒增强铝基复合材料由颗粒增强体和基体构成,目前所广泛应用的增强体材料有SiC、Al2O3等,因为它们密度低,弹性模量高。然而这些颗粒作为增强体有很多缺点,例如基体与增强体的界面会发生不良的界面反应,使界面会出现剥离问题,并且会造成复合材料的致密度、以及力学性能等出现下降趋势。
例如中国专利CN105803236A公开了一种非晶合金增强的铝基复合材料,其特征是:所述复合材料以铝基非晶合金为增强体,以铝合金为基体,铝基非晶合金均匀的分散在铝合金中。该技术方案铝基非晶合金颗粒与铝合金基体界面结合强度高,界面状态好,铝基非晶合金颗粒在基体中分布均匀,不易团聚,但是其抗拉强度不高,韧性不佳,耐腐蚀性能也有待提高。
发明内容
针对上述不足之处,本发明的目的在于提供具有优异的抗拉强度高,断裂韧性高,耐蚀性佳的复合材料。
本发明的技术方案概述如下:一种非晶合金增强的复合材料,其创新点在于,所述复合材料为铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金为增强体,铝合金为基体,该混合非晶合金均匀的分散在铝合金中;该铝合金基体的化学成分的重量百分含量:Mg为15%~18%,Si为0.009~0.01%,Fe为0.01%~0.05%,Cr为8.5%~9.5%,Y为0%~0.09%,Ni为1%~2%,B为0.003%~0.09%,其余为Al。
在一些实施方式中,所述铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金中,铁基非晶合金的体积分数为15%~35%,铝基非晶合金的体积分数为65%~85%。
在一些实施方式中,所述铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金中,铁基非晶合金的体积分数为25%,铝基非晶合金的体积分数为75%。
在一些实施方式中,所述铁基非晶合金为铁基非晶纳米晶合金,所述铁基非晶纳米晶合金的化学成分的重量百分含量:B为2%~4%,Cr为0.02%~0.05%,V为0.001%~0.05%,Al为0.002%~0.004%,Ni为4~7%,Y为0.003%~0.09%,La为0.05%~0.2%,其余为Fe。
在一些实施方式中,所述铝基非晶合金的化学成分的重量百分含量:Al为80.0~83.0%、Ni为5.0~7.0%、Co为2.0~5.0%、Y为0.3~0.5%和La为4.5~12.7%。
本发明的另一个目的是提供一种非晶合金增强的复合材料制备方法,其创新点在于:具体包括如下步骤:
A.铝基非晶合金的制备:将配比量的化学成分混合,加入球磨罐中,在惰性气体和保护剂的保护下进行机械合金化,球磨时的转速≧300rpm,直至得到铝基非晶合金粉末;
B.混粉:将铝基非晶合金粉末和基体铝合金粉末一块装进球磨罐中并密封,在≧200rpm的转速下球磨10-15h,得到混合物料;
C.铁基非晶纳米晶合金制备:按照重量百分含量:B为2%~4%,Cr为0.02%~0.05%,V为0.001%~0.05%,Al为0.002%~0.004%,Ni为4~7%,Y为0.003%~0.09%,La为0.05%~0.2%,其余为Fe进行配料,将原料置入带有加热装置的升液管内熔化而形成铁合金液,熔化温度为1550-1600℃;
D.在真空系统的金属模具内,相对真空度为-10-30Kpa;将步骤C中的合金液按照配比量浇入步骤B的混合物料中,并注满模具,铁基非晶纳米晶合金液体在真空压力作用下渗入混合物料中,关闭模具加热装置;在该钢制模具内冷却凝固,形成复合材料。
在一些实施方式中,所述步骤A中,球磨时间为100~250h。
在一些实施方式中,步骤A和B中,球料比为10~20:1。
在一些实施方式中,所述步骤A的保护剂为复合保护剂,其化学成分重量百分比为:碳酸钡18-25%、硫酸钙2-10%、碳酸钙1.0-1.8%、氯化镁22-35%、硝酸镁6-12%、碳酸镁1.2-2.0%、氯化锂10-15%和稀土氧化物0.1-0.5%。
在一些实施方式中,所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈和氧化富镧富铈的混合物,其混合比例为5:8:2。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的非晶合金增强的复合材料,复合材料将铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金作为增强体,通过有效的制备方式将两种非晶合金结合作为增强共同体,不仅能有效提高复合材料的抗拉强度,还能有效提高韧性,并且使得复合材料的耐腐蚀性大大增加。
(2)本发明的非晶合金增强的复合材料,铁基非晶合金与铝基非晶合金的配比量非常重要,决定了混合合金的特性,在本发明的配比状态下,铝基非晶合金的优势突出,并且优化铁基非晶合金的状态,并且,两者合金与铝合金基体界面结合强度均非常高,界面状态好,铝基非晶合金和铁基非晶合金颗粒在基体中分布均匀,不易团聚,所得复合材料致密度以及力学性能良好。
(3)本发明的非晶合金增强的复合材料,铁基非晶纳米晶合金作为纳米合金,合金中Al、Cr、Ni、Si、Y、La元素保证合金具有较高强度,合金中Fe、Cr、Y、Ni、Si共同作用能保证铁基非晶纳米晶合金与铝基非晶合金具有很好的冶金结合。
(4)本发明的复合材料制备方法,首次有效的将增强共同体(铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金)生产出来,并且生产的合金材料性能好,且制备工艺比较简单,容易操作,非常便于工业化生产。以及通过简单的制备工艺就制得的复合材料,避免了不利界面化学反应的发生和脆性相的形成,实现了复合材料强度和硬度的同时提高,成本低,稳定性好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本方案披露了一种非晶合金增强的复合材料,所述复合材料为铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金为增强体,铝合金为基体,该混合非晶合金均匀的分散在铝合金中;该铝合金基体的化学成分的重量百分含量:Mg为15%~18%,Si为0.009~0.01%,Fe为0.01%~0.05%,Cr为8.5%~9.5%,Y为0%~0.09%,Ni为1%~2%,B为0.003%~0.09%,其余为Al。在本发明的此实施方式中,复合材料将铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金作为增强体,通过有效的制备方式将两种非晶合金结合作为增强共同体,不仅能有效提高复合材料的抗拉强度,还能有效提高韧性,并且使得复合材料的耐腐蚀性大大增加。
具体的,所述铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金中,铁基非晶合金的体积分数为15%~35%,铝基非晶合金的体积分数为65%~85%。作为进一步优选的,在本发明的此实施方式中,所述铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金中,铁基非晶合金的体积分数为25%,铝基非晶合金的体积分数为75%。在本发明中,铁基非晶合金与铝基非晶合金的配比量非常重要,决定了混合合金的特性,在本发明的配比状态下,铝基非晶合金的优势突出,并且优化铁基非晶合金的状态,并且,两者合金与铝合金基体界面结合强度均非常高,界面状态好,铝基非晶合金和铁基非晶合金颗粒在基体中分布均匀,不易团聚,所得复合材料致密度以及力学性能良好。
作为进一步优选的,在本发明的此实施方式中,所述铁基非晶合金可以优选为铁基非晶纳米晶合金,所述铁基非晶纳米晶合金的化学成分的重量百分含量:B为2%~4%,Cr为0.02%~0.05%,V为0.001%~0.05%,Ni为0.002%~0.004%,Al为4~7%,Y为0.003%~0.09%,La为0.05%~0.2%,其余为Fe。在本发明中,铁基非晶纳米晶合金作为纳米合金,合金中Al、Cr、Ni、Si、Y、La元素保证合金具有较高强度,合金中Fe、Cr、Y、Ni、Si共同作用能保证铁基非晶纳米晶合金与铝基非晶合金具有很好的冶金结合。
具体的,在本发明的此实施方式中,所述铝基非晶合金的化学成分的重量百分含量:Al为80.0~83.0%、Ni为5.0~7.0%、Co为2.0~5.0%、Y为0.3~0.5%和La为4.5~12.7%。本发明的铝基非晶合金粉末具有较高的初始晶化温度、优异的热稳定性、烧结温度下不发生晶化并能保持非晶相本质特征,提高了复合材料的性能。
本发明的另一个目的是提供一种非晶合金增强的复合材料制备方法,具体包括如下步骤:
A.铝基非晶合金的制备:将配比量的化学成分混合,加入球磨罐中,在惰性气体和保护剂的保护下进行机械合金化,球磨时的转速≧300rpm,直至得到铝基非晶合金粉末;
B.混粉:将铝基非晶合金粉末和基体铝合金粉末一块装进球磨罐中并密封,在≧200rpm的转速下球磨10-15h,得到混合物料;
C.铁基非晶纳米晶合金制备:按照重量百分含量:B为2%~4%,Cr为0.02%~0.05%,V为0.001%~0.05%,Al为0.002%~0.004%,Ni为4~7%,Y为0.003%~0.09%,La为0.05%~0.2%,其余为Fe进行配料,将原料置入带有加热装置的升液管内熔化而形成铁合金液,熔化温度为1550-1600℃;
D.在真空系统的金属模具内,相对真空度为-10-30Kpa;将步骤C中的合金液按照配比量浇入步骤B的混合物料中,并注满模具,铁基非晶纳米晶合金液体在真空压力作用下渗入混合物料中,关闭模具加热装置;在该钢制模具内冷却凝固,形成复合材料。
在本发明的制备方法中,总体上来说,首次有效的将增强共同体(铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金)生产出来,并且生产的合金材料性能好,且制备工艺比较简单,容易操作,非常便于工业化生产。以及通过简单的制备工艺就制得的复合材料,避免了不利界面化学反应的发生和脆性相的形成,实现了复合材料强度和硬度的同时提高,成本低,稳定性好。
具体的,为了更好的保证球磨工艺的进行,在本发明的此实施方式中,所述步骤A中,球磨时间为100~250h,步骤A和B中,球料比为10~20:1。
作为本发明的另一个发明点,在本发明中,所述步骤A的保护剂为复合保护剂,其化学成分重量百分比为:碳酸钡18-25%、硫酸钙2-10%、碳酸钙1.0-1.8%、氯化镁22-35%、硝酸镁6-12%、碳酸镁1.2-2.0%、氯化锂10-15%和稀土氧化物0.1-0.5%。作为进一步优选的,在本发明的此实施方式中,所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈和氧化富镧富铈的混合物,其混合比例为5:8:2。本发明的合金保护熔剂的高温性能好,在高温条件下(大于1000℃),熔剂熔化成液态,铺开在合金液表面,起到隔绝空气的作用。同时,发泡物质受热分解放出气体,一方面使熔剂浮在合金液表面,另一方面,也起到隔绝空气中氧的作用。此外,优选的,稀土氧化物作为混合物,能够汲取氧化镧、氧化铈和氧化富镧富铈的优势优点特性,且除渣效果好。
下面列出的具体实施例和对比例:
实施例1:
一种非晶合金增强的复合材料,所述复合材料为铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金为增强体,铝合金为基体,该混合非晶合金均匀的分散在铝合金中;该铝合金基体的化学成分的重量百分含量:Mg为15%,Si为0.009%,Fe为0.01%,Cr为8.5%,Y为0%,Ni为1%,B为0.003%,其余为Al。其中,铁基非晶合金的体积分数为15%,铝基非晶合金的体积分数为85%。
其中,铁基非晶合金为铁基非晶纳米晶合金,所述铁基非晶纳米晶合金的化学成分的重量百分含量:B为2%,Cr为0.02%,V为0.001%,Ni为0.002%,Al为4%,Y为0.003%,La为0.05%,其余为Fe。
其中,铝基非晶合金的化学成分的重量百分含量:Al为80.0%、Ni为5.0%、Co为2.0%、Y为0.3%和La为12.7%。
一种非晶合金增强的复合材料制备方法,具体包括如下步骤:
A.铝基非晶合金的制备:将配比量的化学成分混合,加入球磨罐中,在惰性气体和保护剂的保护下进行机械合金化,球磨时的转速≧300rpm,直至得到铝基非晶合金粉末;
B.混粉:将铝基非晶合金粉末和基体铝合金粉末一块装进球磨罐中并密封,在≧200rpm的转速下球磨12h,得到混合物料;
C.铁基非晶纳米晶合金制备:按照重量百分含量:B为2%,Cr为0.02%,V为0.001%,Al为0.002%,Ni为4%,Y为0.003%,La为0.05%,其余为Fe进行配料,将原料置入带有加热装置的升液管内熔化而形成铁合金液,熔化温度为1550℃;
在真空系统的金属模具内,相对真空度为-10Kpa;将步骤C中的合金液按照配比量浇入步骤B的混合物料中,并注满模具,铁基非晶纳米晶合金液体在真空压力作用下渗入混合物料中,关闭模具加热装置;在该钢制模具内冷却凝固,形成复合材料。
实施例2
一种非晶合金增强的复合材料,所述复合材料为铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金为增强体,铝合金为基体,该混合非晶合金均匀的分散在铝合金中;该铝合金基体的化学成分的重量百分含量:Mg为18%,Si为0.01%,Fe为0.05%,Cr为9.5%,Y为0.09%,Ni为2%,B为0.09%,其余为Al。
铁基非晶合金的体积分数为35%,铝基非晶合金的体积分数为65%。
铁基非晶合金为铁基非晶纳米晶合金,所述铁基非晶纳米晶合金的化学成分的重量百分含量:B为4%,Cr为0.05%,V为0.05%,Ni为0.004%,Al为7%,Y为0.09%,La为0.2%,其余为Fe。
铝基非晶合金的化学成分的重量百分含量:Al为83.0%、Ni为7.0%、Co为5.0%、Y为0.5%和La为4.5%。
一种非晶合金增强的复合材料制备方法,具体包括如下步骤:
A.铝基非晶合金的制备:将配比量的化学成分混合,加入球磨罐中,在惰性气体和保护剂的保护下进行机械合金化,球磨时的转速≧300rpm,直至得到铝基非晶合金粉末;
B.混粉:将铝基非晶合金粉末和基体铝合金粉末一块装进球磨罐中并密封,在≧200rpm的转速下球磨12h,得到混合物料;
C.铁基非晶纳米晶合金制备:按照重量百分含量:B为4%,Cr为0.05%,V为0.05%,Al为0.004%,Ni为7%,Y为0.09%,La为0.2%,其余为Fe进行配料,将原料置入带有加热装置的升液管内熔化而形成铁合金液,熔化温度为1600℃;
在真空系统的金属模具内,相对真空度为-30Kpa;将步骤C中的合金液按照配比量浇入步骤B的混合物料中,并注满模具,铁基非晶纳米晶合金液体在真空压力作用下渗入混合物料中,关闭模具加热装置;在该钢制模具内冷却凝固,形成复合材料。
实施例3
一种非晶合金增强的复合材料,所述复合材料为铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金为增强体,铝合金为基体,该混合非晶合金均匀的分散在铝合金中;该铝合金基体的化学成分的重量百分含量:Mg为16%,Si为0.0095%,Fe为0.02%,Cr为9%,Y为0.04%,Ni为1.5%,B为0.035%,其余为Al。
铁基非晶合金的体积分数为25%,铝基非晶合金的体积分数为75%。
铁基非晶合金为铁基非晶纳米晶合金,所述铁基非晶纳米晶合金的化学成分的重量百分含量:B为3%,Cr为0.03%,V为0.02%,Ni为0.003%,Al为5.3%,Y为0.04%,La为0.12%,其余为Fe。
铝基非晶合金的化学成分的重量百分含量:Al为81.0%、Ni为6.0%、Co为3.0%、Y为0.4%和La为9.6%。
一种非晶合金增强的复合材料制备方法,具体包括如下步骤:
A.铝基非晶合金的制备:将配比量的化学成分混合,加入球磨罐中,在惰性气体和保护剂的保护下进行机械合金化,球磨时的转速≧300rpm,直至得到铝基非晶合金粉末;
B.混粉:将铝基非晶合金粉末和基体铝合金粉末一块装进球磨罐中并密封,在≧200rpm的转速下球磨10-15h,得到混合物料;
C.铁基非晶纳米晶合金制备:按照重量百分含量:B为3%,Cr为0.03%,V为0.02%,Ni为0.003%,Al为5.3%,Y为0.04%,La为0.12%,其余为Fe进行配料,将原料置入带有加热装置的升液管内熔化而形成铁合金液,熔化温度为1550℃;
在真空系统的金属模具内,相对真空度为-20Kpa;将步骤C中的合金液按照配比量浇入步骤B的混合物料中,并注满模具,铁基非晶纳米晶合金液体在真空压力作用下渗入混合物料中,关闭模具加热装置;在该钢制模具内冷却凝固,形成复合材料。
实施例4
一种非晶合金增强的复合材料,所述复合材料为铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金为增强体,铝合金为基体,该混合非晶合金均匀的分散在铝合金中;该铝合金基体的化学成分的重量百分含量:Mg为17%,Si为0.0095%,Fe为0.03%,Cr为9.1%,Y为0.05%,Ni为1.2%,B为0.048%,其余为Al。
铁基非晶合金的体积分数为25%,铝基非晶合金的体积分数为75%。
铁基非晶合金为铁基非晶纳米晶合金,所述铁基非晶纳米晶合金的化学成分的重量百分含量:B为2.5%,Cr为0.028%,V为0.021%,Ni为0.003%,Al为6.2%,Y为0.028%,La为0.098%,其余为Fe。
铝基非晶合金的化学成分的重量百分含量:Al为82.5%、Ni为6.5%、Co为3.5%、Y为0.5%和La为7%。
一种非晶合金增强的复合材料制备方法,具体包括如下步骤:
A.铝基非晶合金的制备:将配比量的化学成分混合,加入球磨罐中,在惰性气体和保护剂的保护下进行机械合金化,球磨时的转速≧300rpm,直至得到铝基非晶合金粉末;
B.混粉:将铝基非晶合金粉末和基体铝合金粉末一块装进球磨罐中并密封,在≧200rpm的转速下球磨12h,得到混合物料;
C.铁基非晶纳米晶合金制备:按照重量百分含量:B为3%,Cr为0.03%,V为0.02%,Ni为0.003%,Al为5.3%,Y为0.04%,La为0.12%,其余为Fe进行配料,将原料置入带有加热装置的升液管内熔化而形成铁合金液,熔化温度为1550℃;
在真空系统的金属模具内,相对真空度为-20Kpa;将步骤C中的合金液按照配比量浇入步骤B的混合物料中,并注满模具,铁基非晶纳米晶合金液体在真空压力作用下渗入混合物料中,关闭模具加热装置;在该钢制模具内冷却凝固,形成复合材料。
下面列出实施例的性能测试结果:
由上述实例可看出,制得的该料不仅具有优异的抗拉强度高,断裂韧性高,耐蚀性均较一般材料好。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节。
Claims (6)
1.一种非晶合金增强的复合材料,其特征在于,所述复合材料为铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金为增强体,铝合金为基体,该混合非晶合金均匀的分散在铝合金中;该铝合金基体的化学成分的重量百分含量:Mg为15%~18%,Si为0.009~0.01%,Fe为0.01%~0.05%,Cr为8.5%~9.5%,Y为0%~0.09%,Ni为1%~2%,B为0.003%~0.09%,其余为Al;
所述铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金中,铁基非晶合金的体积分数为15%~35%,铝基非晶合金的体积分数为65%~85%;
所述铁基非晶合金为铁基非晶纳米晶合金,所述铁基非晶纳米晶合金的化学成分的重量百分含量:B为2%~4%,Cr为0.02%~0.05%,V为0.001%~0.05%,Al为0.002%~0.004%,Ni为4~7%,Y为0.003%~0.09%,La为0.05%~0.2%,其余为Fe;
所述铝基非晶合金的化学成分的重量百分含量:Al为80 .0~83 .0%、Ni为5.0~7.0%、Co为2.0~5.0%、Y为0.3~0.5%和La为4.5~12.7%;
上述非晶合金增强的复合材料的制备方法具体包括如下步骤:
A.铝基非晶合金的制备:将配比量的化学成分混合,加入球磨罐中,在惰性气体和保护剂的保护下进行机械合金化,球磨时的转速≧300rpm,直至得到铝基非晶合金粉末;
B.混粉:将铝基非晶合金粉末和基体铝合金粉末一块装进球磨罐中并密封,在≧200rpm的转速下球磨10-15h,得到混合物料;
C.铁基非晶纳米晶合金制备:按照重量百分含 量:B为2%~4%,Cr为0.02%~0.05%,V为0.001%~0.05%,Al为0.002%~0.004%,Ni为4~7%,Y为0.003%~0.09%,La为0.05%~0.2%,其余为Fe进行配料,将原料置入带有加热装置的升液管内熔化而形成铁合金液,熔化温度为1550-1600℃;
D.在真空系统的金属模具内,相对真空度为-10-30Kpa;将步骤C中的合金液按照配比量浇入步骤B的混合物料中,并注满模具,铁基非晶纳米晶合金液体在真空压力作用下渗入混合物料中,关闭模具加热装置;在该钢制模具内冷却凝固,形成复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种非晶合金增强的复合材料,其特征在于,所述铁基非晶合金与铝基非晶合金的混合非晶合金中,铁基非晶合金的体积分数为25%,铝基非晶合金的体积分数为75%。
3.根据权利要求1所述的非晶合金增强的复合材料制备方法,其特征在于:所述步骤A中,球磨时间为100~250h。
4.根据权利要求2所述的非晶合金增强的复合材料制备方法,其特征在于:步骤A和B中,球料比为10~20:1。
5.根据权利要求3所述的非晶合金增强的复合材料制备方法,其特征在于:所述步骤A的保护剂为复合保护剂,其化学成分重量百分比为:碳酸钡18-25%、硫酸钙2-10%、碳酸钙1.0-1.8%、氯化镁22-35%、硝酸镁6-12%、碳酸镁1.2-2.0%、氯化锂10-15%和稀土氧化物0.1-0.5%。
6.根据权利要求1所述的非晶合金增强的复合材料制备方法,其特征在于:所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈和氧化富镧富铈的混合物,其混合比例为5:8:2。
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