CN116728911B - 真空等温锻用隔热板、隔热装置及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械制造领域，具体提供一种真空等温锻用隔热板、隔热装置及制备方法和应用。该隔热板的结构包括两层面板，以及设置于两层面板之间的非均质中间芯层，该非均质中间芯层为点阵结构并且由单元晶胞构成；该隔热板为耐高温且导热率低的金属。该隔热板可通过材质的选择以及非均质中间芯层的结构调整满足不同保温需求、真空等温锻的梯度降温以及不同抗压能力需求。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造领域，具体提供一种真空等温锻用隔热板、隔热装置及制备方法和应用。
背景技术
随着钛合金、镁合金、高温合金等难锻造成形金属的应用需求不断增加，真空等温锻工艺的出现成为解决这些难锻造成形金属大结构件的有效方法，对真空等温锻工艺也提出了更高的要求。以高温合金为例，在高温合金锻造成形工艺中，需要将温度控制在800℃以上，这就要求减少模具成形过程中的温度散失，有效提升成形产品的机械性能、物理性能及成品率。真空等温锻压机的隔热板在隔热保温方面起到了关键的作用。同时，隔热板在保温隔热的同时还要承受一定的压力。
真空等温锻高温合金过程中所用模具主要为多层模具，控制多层模具之间呈梯度温降，到与压机接触的位置，温度一般需要降到200℃以下。然而采用传统热锻隔热板中用的环氧树脂板或耐高温塑性粉云母板难以实现多层模具间的梯度保温，导致其它层模具温度低于所需温度，影响最终产品的成形质量。针对上述问题，需要提出一种真空等温锻用隔热板的设计和制备方法。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种真空等温锻用隔热板。
本发明的第二目的在于提供上述隔热板的制备方法。
本发明的第三目的在于提供一种含有上述隔热板的隔热装置。
本发明的第四目的在于提供上述隔热装置的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种真空等温锻用隔热板，该隔热板的结构包括两层面板，以及设置于两层面板之间的非均质中间芯层，该非均质中间芯层为点阵结构并且由单元晶胞构成；
该隔热板为耐高温且导热率低的金属。
进一步地，该单元晶胞简单立方晶胞、体心立方晶胞、面心立方晶胞、正八面体晶胞或、正十二面体晶胞、钻石结构晶或螺旋二十四面体。
进一步地，该隔热板的材料为高温合金。
进一步地，该点阵结构支杆尺寸为0.5~5mm；
优选地，该隔热板的两层面板的厚度均独立地为10~30mm；
优选地，该隔热板的尺寸为φ500~800mm，厚度20~50mm。
上述隔热板的制备方法，采用温度场协同作用的激光增材制造方法制备隔热板；
该制备方法的工艺参数包括温度场恒定温度400~800℃，激光功率1600~2000W，扫描速度10~14mm/s，送粉速度5~10g/min。
一种真空等温锻用隔热板的制备方法，该隔热板的结构包括两层面板，以及设置于两层面板之间的非均质中间芯层，该非均质中间芯层为点阵结构并且由单元晶胞构成，该制备方法包括以下步骤：
S1：选取高温合金为隔热板材料。
S2：设计2~3种单元晶胞构型，作为中间芯层结构。
S3：根据理论计算和有限元方法分析步骤S2中不同单元晶胞构型的抗压能力。
S4：基于NIAH方法对具有不同单元晶胞构型的点阵结构垂直方向的热传导系数进行分析，结合步骤S2中抗压能力的分析，确定隔热板的单元晶胞构型；以隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸为设计变量，确定隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸；
优化目标包括热传导系数最小化和/或体模量最大化。
S5：在中间芯层点阵结构上下表面设计面板，确定隔热板三明治结构上下面板的厚度。
S6：根据步骤S1~S5，确定隔热板的整体结构及外形轮廓尺寸。
S7：依据以上结构设计参数绘制隔热板模型，用温度场协同作用的激光增材制造方法制备隔热板，并对成形的隔热板分别进行抗压性能和热传导性能的实验验证。
一种真空等温锻用隔热装置，该隔热装置包括上部和下部，该上部和该下部均独立地含有至少一层上述隔热板，待锻造金属放置于该上部和该下部之间。
进一步地，该真空等温锻的温度为500~1200℃；
优选地，该上部和该下部均独立地含有至少两层的隔热板，隔热板之间均设置有垫板。
上述隔热装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1：根据隔热装置的工作温度和保温需求均独立地设定上部和下部的隔热板的个数和不同位置隔热板的金属材料；
S2：针对步骤S1中每一种隔热板的金属材料设计2~3种单元晶胞构型；
S3：根据理论计算和有限元方法分析步骤S2中不同单元晶胞构型的抗压能力；
S4：基于NIAH方法对具有不同单元晶胞构型的点阵结构垂直方向的热传导系数进行分析，结合步骤S2中抗压能力的分析，确定隔热板不同位置的单元晶胞构型；以隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸为设计变量，确定隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸；
优化目标包括热传导系数最小化和/或体模量最大化；
S5：在中间芯层点阵结构上下表面设计面板，确定隔热板三明治结构上下面板的厚度；
S6：根据步骤S1~S5，确定隔热板的整体结构及外形轮廓尺寸；
S7：依据以上结构设计参数绘制隔热板模型，用温度场协同作用的激光增材制造方法制备隔热板，并对成形的隔热板分别进行抗压性能和热传导性能的实验验证；
S8：将所有的隔热板与垫板组装得到隔热装置，所述垫板设置于每两个隔热板之间。
进一步地，该步骤S1中金属材料耐高温且导热率低，优选为高温合金；
优选地，该步骤S2中该单元晶胞构型包括体心立方晶胞、正八面体晶胞和正十二面体晶胞；
优选地，三种不同单元晶胞构型的抗压能力是正八面体单元晶胞>正十二面体单元晶胞>体心立方单元晶胞；
优选地，该步骤S3中有限元方法为采用Abaqus有限元软件；
优选地，该步骤S4中的中间芯层点阵结构支杆尺寸为1.5~2mm；
优选地，该步骤S5中隔热板三明治结构上下面板的厚度10~30mm；
优选地，该步骤S6中隔热板的整体结构，外形轮廓尺寸为φ500~800mm，厚度20~50mm；
优选地，该步骤S7中温度场恒定温度400~800℃，激光功率1600~2000W，扫描速度10~14mm/s，送粉速度5~10g/min。
上述隔热板或隔热装置在真空等温锻压机中的应用。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：
本发明隔热板及隔热装置实现真空等温锻中对模具的隔热保温作用；实现真空等温锻中多层模具间的梯度温降；确保隔热板的承压性。通过对隔热板结构优化设计，利用增材制造技术制备出满足真空等温锻高温合金要求的保护模具，使得热量不被完全散失，实现多层模具间温度的梯度下降，并能够承受一定的压力。
1、将隔热装置拆分成多级块结构（多层隔热板）布置，主要承力面的隔热板选用抗压能力较好的单元晶胞构型，非主要承力面的隔热板选用隔热能力较好的单元晶胞构型，这样既保证了真空等温锻成形的稳定，也有效地减少模具的热量传递，保证产品品质，工件成形质量良好，延长设备的服役寿命。
2、选用高温合金材料作为隔热板，避免了传统隔热材料在实际生产中，因为局部受压严重，导致隔热板损坏的情况，减少了隔热板的更换频率。
3、采用温度场协同作用下的增材制造工艺成形高温合金隔热板，温度场的协同作用，避免了高温合金在常规增材制造过程中出现的开裂情况，能够有效改善增材制造高温合金隔热板的综合性能。
4、高温合金的热传导系数为6.5W/(m﹒K)；本发明所制备的真空等温锻用三明治结构隔热板的热传导系数低于0.5W/(mK)，抗压强度高于600MPa。
附图说明
下面参照附图来进一步说明本发明的各个技术特征和它们之间的关系。附图为示例性的，一些技术特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本发明所属技术领域中惯用的且对于理解和实现本发明并非必不可少的技术特征，或是额外示出了对于理解和实现本发明并非必不可少的技术特征，也就是说，附图所示的各个技术特征的组合并不用于限制本发明。另外，在本发明全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：
图1是实施例1中真空等温锻制备过程中所用多层模具及其上下隔热板和垫板的分布图；
图2为实施例1中采用的三种单元晶胞构型；
图3为实施例1中单元晶胞构型的尺寸图；
图4为实施例1中隔热板的主视图示意图；
图5为实施例1中隔热板的三明治结构示意图。
具体实施方式
下面，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
“真空等温锻”是指在真空环境中，将坯料进行等温锻造成形，得到所需形状和性能的成形工艺，其特征是坯料从加热到锻造全过程在密封的真空腔体内进行，在锻造时保持坯料和模具温度相同的锻造方式，可以有效控制锻件的表面质量、内部组织以及氧化物含量。
“非均质”是指中间芯层的点阵结构是不均匀的，存在单元晶胞疏密差异性、结构差异性等。
“点阵结构”是指由相同的单元晶胞在空间周期性规则排列组成的结构。
“单元晶胞”是指构成点阵结构的最基本的几何单元称为晶胞。
“高温合金”是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。
“点阵结构支杆尺寸”是指组成单元晶胞支杆的正方形截面边长，具体如图3所示。
Abaqus有限元软件，是将求解域分解成许多称为有限元的单元体，对每一单体假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。
本发明一方面提供一种真空等温锻用隔热板，该隔热板的结构包括两层面板，以及设置于两层面板之间的非均质中间芯层，该非均质中间芯层为点阵结构并且由单元晶胞构成；隔热板为耐高温且导热率低的金属。
本发明中将隔热板设计为非均质的三明治结构，隔热板包括上下两层面板与中间芯层的中空点阵结构。该隔热板可以实现导热系数最小化同时又可以承受一定的压力。
在优选的实施方式中，单元晶胞可以为简单立方晶胞、体心立方晶胞、面心立方晶胞、正八面体晶胞或、正十二面体晶胞、钻石结构晶、螺旋二十四面体等。隔热板的中间芯层的“非均质”是指中间芯层的单元晶胞构型相同，但是点阵结构支杆尺寸不同，例如，中间芯层的边缘部位的点阵结构支杆尺寸为1.5mm，中间部位的点阵结构支杆尺寸为2mm，形成中间芯层不同部位的孔隙率不同的现象。
在优选的实施方式中，隔热板的材料为高温合金。隔热板的两层面板和中间芯层均采用同一高温合金制备。例如：GH3034、GH4169、Inconel718等。
在优选的实施方式中，点阵结构支杆尺寸为0.5~5mm，点阵结构支杆尺寸可以但不限于为0.5mm、0.7mm、1mm、1.3mm、1.5 mm、1.7 mm、2 mm、2.3mm、2.5mm、2.7mm、3mm、3.3mm、3.5mm、3.7mm、4mm、4.3mm、4.5mm、4.7mm或5mm。
在优选的实施方式中，隔热板的两层面板的厚度均独立地为10~30mm，可以但不限于为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm或30 mm。
在优选的实施方式中，隔热板的尺寸为φ500~800mm，可以但不限于为φ500 mm、φ550 mm、φ600 mm、φ650 mm、φ700 mm、φ750 mm或φ800 mm；厚度为20~50mm，可以但不限于为20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm或50 mm。
本发明一方面提供上述隔热板的制备方法，采用温度场协同作用的激光增材制造方法制备隔热板，工艺参数包括温度场恒定温度400~800℃，激光功率1600~2000W，扫描速度10~14mm/s，送粉速度5~10g/min。
具体地，温度场恒定温度可以但不限于为400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃或800℃；激光功率可以但不限于为1600 W、1650 W、1700 W、1750 W、1800W、1850 W、1900 W、1950 W或2000W；扫描速度可以但不限于为10 mm/s、11 mm/s、12 mm/s、13 mm/s或14 mm/s；送粉速度可以但不限于为5 g/min、6 g/min、7 g/min、8 g/min、9 g/min或10 g/min。
一种真空等温锻用隔热板的制备方法，该隔热板的结构包括两层面板，以及设置于两层面板之间的非均质中间芯层，该非均质中间芯层为点阵结构并且由单元晶胞构成，该制备方法包括以下步骤：
S1：选取高温合金为隔热板材料；
S2：设计2~3种单元晶胞构型，作为中间芯层结构；
S3：根据理论计算和有限元方法分析步骤S2中不同单元晶胞构型的抗压能力；
S4：基于NIAH方法对具有不同单元晶胞构型的点阵结构垂直方向的热传导系数进行分析，结合步骤S2中抗压能力的分析，确定隔热板的单元晶胞构型；以隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸为设计变量，确定隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸；
优化目标包括热传导系数最小化和/或体模量最大化；
S5：在中间芯层点阵结构上下表面设计面板，确定隔热板三明治结构上下面板的厚度；
S6：根据步骤S1~S5，确定隔热板的整体结构及外形轮廓尺寸；
S7：依据以上结构设计参数绘制隔热板模型，用温度场协同作用的激光增材制造方法制备隔热板，并对成形的隔热板分别进行抗压性能和热传导性能的实验验证。
本发明一方面提供一种真空等温锻用隔热装置，隔热装置包括上部和下部，上部和下部均独立地含有至少一层本发明的隔热板，待锻造金属放置于上部和下部之间。
在一些实施方式中，本发明的隔热装置适用于真空等温锻的温度范围为500~1200℃。
需要说明的是，根据隔热装置在真空等温锻工艺中的保温需求选取隔热板合适的金属材料，根据承载压力选取隔热板合适的结构，考虑综合性能选取隔热板的数目。上部和下部均独立地可含有1层、2层、3层、4层等隔热板，各隔热板的材料和中间芯层结构可相同或不同，例如主要承力面的隔热板选用抗压能力较好的单元晶胞构型，非主要承力面的隔热板选用隔热能力较好的单元晶胞构型。当上部或下部中含有至少两种隔热板时，优选地在隔热板之间设有高温合金垫板，垫板可起到支撑和承载压力的作用，提高隔热装置的抗压能力。
本发明还提供一种上述隔热装置的制备方法，具体可包括以下步骤：
S1：根据隔热装置的工作温度和保温需求均独立地设定上部和下部的隔热板的个数和不同位置隔热板的金属材料；
S2：针对步骤S1中每一种隔热板的金属材料设计2~3种单元晶胞构型；
S3：根据理论计算和有限元方法分析步骤S2中不同单元晶胞构型的抗压能力；
S4：基于NIAH方法对具有不同单元晶胞构型的点阵结构垂直方向的热传导系数进行分析，结合步骤S2中抗压能力的分析，确定隔热板不同位置的单元晶胞构型；以隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸为设计变量，确定隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸；
优化目标包括热传导系数最小化和/或体模量最大化；
S5：在中间芯层点阵结构上下表面设计面板，确定隔热板三明治结构上下面板的厚度；
S6：根据步骤S1~S5，确定隔热板的整体结构及外形轮廓尺寸；
S7：依据以上结构设计参数绘制隔热板模型，用温度场协同作用的激光增材制造方法制备隔热板，并对成形的隔热板分别进行抗压性能和热传导性能的实验验证；
S8：将所有的隔热板与垫板组装得到隔热装置，垫板设置于每两个隔热板之间。
本发明中隔热板采用高温合金材料通过增材制造方法制备而成，本发明方法包括隔热板主要受力部分结构设计，隔热板非主要受力部分结构设计，隔热板整体结构设计，隔热板材质选择，增材制造隔热板等步骤，并针对非均质三明治结构的隔热板的整体结构及增材制造提出优化设计方法，从而得到整体的隔热装置。本发明从被动热防护角度提出通过结构优化设计的方法实现隔热的目的，并通过隔热装置结构的设计和优化，在实现隔热的同时，保证其抗压能力。
在优选的实施方式中，步骤S1中金属材料耐高温且导热率低，优选为高温合金。
在优选的实施方式中，步骤S2中所述单元晶胞构型包括体心立方晶胞、正八面体晶胞和正十二面体晶胞。其中，三种不同单元晶胞构型的抗压能力是正八面体单元晶胞>正十二面体单元晶胞>体心立方单元晶胞。
在优选的实施方式中，步骤S4中的中间芯层点阵结构支杆尺寸为0.5~5mm。
在优选的实施方式中，步骤S5中隔热板三明治结构上下面板的厚度10~30mm。
在优选的实施方式中，步骤S6中隔热板的整体结构，外形轮廓尺寸为φ500~800mm，厚度20~50mm。
在优选的实施方式中，步骤S7中温度场恒定温度400~800℃，激光功率1600~2000W，扫描速度10~14mm/s，送粉速度5~10g/min。
本发明亦提供上述隔热板或隔热装置在真空等温锻压机中的应用。本发明的隔热板或隔热装置可在真空等温锻的多层模具中均进行应用，根据其制备工艺可设计得到理想的隔热装置和隔热板，实现真空等温锻的良好应用。
实施例1
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种真空等温锻用隔热板的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：如图1所示，根据隔热装置的服役需求设计上部和下部的隔热板的数量和隔热板的材料，其中隔热板的作用控制多层模具之间呈梯度温降，其中第一层隔热板控制温度1200℃-800℃，第二层隔热板控制温度800℃-400℃，到与压机接触的位置，温度一般需要降到200℃以下。隔热板的材料为高温合金。
S2：针对步骤S1中每一种隔热板的金属材料设计2~3种单元晶胞构型，如图2所示。
S3：根据理论计算和有限元方法分析步骤S2中单元晶胞构型的抗压能力。正八面体单元晶胞>正十二面体单元晶胞>体心立方单元晶胞。
S4：基于NIAH方法对分析具有S3中单元晶胞构型的点阵结构垂直方向的热传导系数，结合步骤S3中抗压能力的分析，确定隔热板不同位置的单元晶胞构型；以隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸为设计变量，确定隔热板中间芯层不同位置的点阵结构支杆尺寸，如图4所示。中间芯层点阵结构支杆尺寸为1.5~2mm。
S5：在点阵结构上下表面设计面板，确定隔热板三明治结构上下面板的厚度，如图5所示。隔热板三明治结构上下面板的厚度10~30mm。
S6：根据步骤S1~S5，确定隔热板的整体结构及外形轮廓尺寸。外形轮廓尺寸为φ500~800mm，厚度20~50mm。
S7：依据以上结构设计参数绘制隔热板模型，用温度场协同作用的激光增材制造方法制备隔热板，并对成形的隔热板分别进行抗压性能和热传导性能的实验验证。温度场恒定温度400~800℃，激光功率1600~2000W，扫描速度10~14mm/s，送粉速度5~10g/min。
得到的隔热装置如图1所示，采用的三种单元晶胞构型如图2所示，隔热板的主视图示意图如图4所示，隔热板的三明治结构示意图如图5所示。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明的技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本发明的保护范畴。
Claims (6)
1.一种真空等温锻用隔热装置，其特征在于，所述隔热装置包括上部和下部，所述上部和所述下部均独立地含有至少一层隔热板，主要承力面的隔热板选用抗压能力较好的单元晶胞构型，非主要承力面的隔热板选用隔热能力较好的单元晶胞构型，待锻造金属放置于所述上部和所述下部之间；
所述隔热板的结构包括两层面板，以及设置于两层面板之间的非均质中间芯层，所述非均质中间芯层为点阵结构并且由单元晶胞构成；
所述隔热板为高温合金；
所述真空等温锻用隔热装置的制备方法包括以下步骤：
S1：根据隔热装置的工作温度和保温需求均独立地设定上部和下部的隔热板的个数和不同位置隔热板的金属材料；
S2：针对步骤S1中每一种隔热板的金属材料设计2~3种单元晶胞构型；
S3：根据理论计算和有限元方法分析步骤S2中不同单元晶胞构型的抗压能力；
S4：基于NIAH方法对具有不同单元晶胞构型的点阵结构垂直方向的热传导系数进行分析，结合步骤S2中抗压能力的分析，确定隔热板的单元晶胞构型；以隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸为设计变量，确定隔热板中间芯层的点阵结构支杆尺寸；
优化目标包括热传导系数最小化和/或体模量最大化；
S5：在中间芯层点阵结构上下表面设计面板，确定隔热板三明治结构上下面板的厚度；
S6：根据步骤S1~S5，确定隔热板的整体结构及外形轮廓尺寸；
S7：依据以上结构设计参数绘制隔热板模型，用温度场协同作用的激光增材制造方法制备隔热板，并对成形的隔热板分别进行抗压性能和热传导性能的实验验证；所述制造方法的工艺参数包括温度场恒定温度400~800℃，激光功率1600~2000W，扫描速度10~14mm/s，送粉速度5~10g/min；
S8：将所有的隔热板与垫板组装得到隔热装置，所述垫板设置于每两个隔热板之间。
2.根据权利要求1所述的隔热装置，其特征在于，所述单元晶胞为简单立方晶胞、体心立方晶胞、面心立方晶胞、正八面体晶胞、正十二面体晶胞、钻石结构晶或螺旋二十四面体。
3.根据权利要求1所述的隔热装置，其特征在于， 所述点阵结构支杆尺寸为0.5~5mm；
所述隔热板的两层面板的厚度均独立地为10~30mm；
所述隔热板的尺寸为φ500~800mm，厚度20~50mm。
4.根据权利要求1所述的隔热装置，其特征在于，所述真空等温锻的温度为500~1200℃；
所述上部和所述下部均独立地含有至少两层的隔热板，隔热板之间均设置有垫板。
5.根据权利要求1所述的隔热装置，其特征在于， 所述步骤S2中所述单元晶胞构型包括体心立方晶胞、正八面体晶胞和正十二面体晶胞；
三种不同单元晶胞构型的抗压能力是正八面体单元晶胞>正十二面体单元晶胞>体心立方单元晶胞；
所述步骤S3中有限元方法为采用Abaqus有限元软件进行计算。
6.权利要求1~5任一项所述的隔热装置在真空等温锻压机中的应用。
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|---|---|---|---|---|
| CN1864887A (zh) * | 2005-01-14 | 2006-11-22 | 斯奈克玛 | 热模式锻压机以及用于该锻压机的绝热装置 |
| CN112163291A (zh) * | 2020-09-17 | 2021-01-01 | 华中科技大学 | 一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法及产品 |
| CN114734059A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-07-12 | 江苏飞跃机泵集团有限公司 | 一种激光增材制造过程中温度场的控制方法 |
| CN115994409A (zh) * | 2023-02-09 | 2023-04-21 | 上海理工大学 | 再入飞行器调姿栅格舵承载隔热梯度结构层及其设计方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1864887A (zh) * | 2005-01-14 | 2006-11-22 | 斯奈克玛 | 热模式锻压机以及用于该锻压机的绝热装置 |
| CN112163291A (zh) * | 2020-09-17 | 2021-01-01 | 华中科技大学 | 一种増材制造中多材料力学功能件的成形方法及产品 |
| CN114734059A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-07-12 | 江苏飞跃机泵集团有限公司 | 一种激光增材制造过程中温度场的控制方法 |
| CN115994409A (zh) * | 2023-02-09 | 2023-04-21 | 上海理工大学 | 再入飞行器调姿栅格舵承载隔热梯度结构层及其设计方法 |
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