一种雨淋式加料制备Al-5Ti-B中间合金细化剂的装置与工艺的制作方法

一种雨淋式加料制备al-5ti-b中间合金细化剂的装置与工艺
技术领域
1.本发明涉及铝合金熔炼领域，具体涉及铝合金晶粒细化剂制备装置及制备工艺。


背景技术：

2.铝合金在航空航天、交通运输、轻工重工等领域应用十分广泛，也是资源最为丰富的金属资源之一，而铝合金的各项性能则取决于晶粒的平均大小，分布，形态等参数。所以，铝合金晶粒细化是提升铝合金综合性能的重要手段，细化晶粒不仅可以提高材料的强韧度，还可以保证材料具有优异的铸造性能和加工性能。细化晶粒的方法主要包括电磁作用、超声波振动、快速凝固、添加细化剂等方法，前几类方法都在设备复杂、成本较高等不同程度上受到局限，所以在铝工业中，向铝熔体内添加晶粒细化剂是最经济、最有效的方法。
3.目前国内外有许多成熟的产线生产熔炼铝合金晶粒细化剂，他们在领域内已经实现中高端铝合金晶粒细化剂的批量生产，但仍然存在一些弊端，出现诸如细化剂各部分成分细化不均匀，细化剂各部位细化效果不一致，生产效率较为低下，无法改善铸件表面质量等问题。这些问题导致生产公司在交付产品时，抛弃细化效果较差部分，进而选择细化效果较好部位进行交付，从而造成了大量回炉，浪费现象。基于此，对铝合金晶粒细化的相关工艺进行了优化，提升细化剂的均匀性及细化效果，以尽量避免上述问题的发生。
4.由于新材料开发的成本问题，在材料研发端进行升级需要大量的科研成本及人力物力，且提升效果不明显，上限较低。而实现铝合金晶粒细化剂工艺端的高质量生产，一定程度上在降低生产成本的同时，还能提升细化效果。所以，如何通过对铝合金晶粒细化剂相关工艺及设备进行优化是本发明要解决的问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述提到的问题，本发明提出了一种雨淋式加料制备al-5ti-b中间合金细化剂的装置，减少铝液与空气的接触，且采用雨淋式加料方式，使得氟盐以更加分散的形式加入铝液，反应更加均匀充分。
6.本发明的第二个目的在于提供一种雨淋式加料制备al-5ti-b中间合金细化剂的方法，以解决上述背景技术中提到的铝合金晶粒细化剂在不同部分出现成分不均匀，细化效果不一致的现象。该发明制备的al-5ti-b晶粒细化剂二相粒子弥散、分布均匀，无明显团聚现象，铝合金细化效果明显。
7.具体地，本发明提供的一种制备al-5ti-b中间合金细化剂的装置，该装置包括坩埚电阻炉，坩埚电阻炉是一个密闭腔体，在坩埚电阻炉的炉壁上设有至少一个贯穿槽口，在坩埚电阻炉内靠近炉口处设有漏网及封窗，封窗位于漏网底部，并完全覆盖漏网，漏网与封窗呈活动式连接；所述漏网与封窗可从槽口处伸出；在封窗下方5-10cm处设有出气阀，出气阀另一端连接至排气系统。出气阀一方面能够平衡炉内气压，另一方面，出气阀对炉内气体起到引流作用，更有利于后续工艺对铝热反应产生毒性气体进行环保处理。出气阀的材质为碳钢。漏网与封窗为不与氟硼酸钾、氟钛酸钾反应的耐高温材质。漏网及封窗尺寸与形状
可以根据坩埚电阻胆的尺寸做调整。
8.优选的，漏网孔洞呈方形阵列分布，且孔洞面积在1mm2。
9.进一步，漏网与封窗可设置两个或两个以上。优选的，漏网包括第一漏网与第二漏网，同时设有对应的封窗与槽口。优选的，第一漏网距离炉口8-10cm；第二漏网距离第一漏网8-10cm；以完成物料的多次添加。
10.优选的，在坩埚电阻炉底部安装通气搅拌动力装置。所述通气搅拌动力装置为立式碳制搅拌头，搅拌叶片之间间隔设有多个通气孔，通气孔与通气管相连，用于通入气体。
11.进一步，坩埚电阻炉的外壁外周环绕设置有加热装置与水冷装置。
12.进一步，坩埚电阻炉设有观察和测温窗口。
13.一种雨淋式加料制备al-5ti-b中间合金细化剂的方法，先对坩埚电阻炉，水冷装置，排气装置以及通气搅拌动力装置等进行全面的检查，确保其正常工作。具体步骤如下：
14.s1、配料：根据中间合金细化剂各元素质量百分比：ti5％-10％、b3％-5％、其余为al。进一步地，所述纯铝锭、氟硼酸钾、氟钛酸钾的重量比8-12：1-1.5：2-4。
15.s2、熔炼：将备好的纯铝锭放进坩埚电阻炉底部，温度设置为700℃-740℃加热，待纯铝锭融化后，刮去表面浮渣。
16.s3、备料：插入第一漏网、第二漏网及对应的封窗，按摩尔比例1：2在第二漏网上平铺预先混料好的氟钛酸钾及氟硼酸钾；并在第一漏网上平铺氟钛酸钾。
17.s4、第一次加料：开启出气阀，开启底部搅拌5分钟后，缓慢匀速抽出第二漏网的封窗，使第二漏网上平铺的氟钛酸钾与氟硼酸钾混合颗粒添加进铝液中，进行合金化反应。同时，通过底部通气搅拌动力装置的通气孔，通入氩气或者六氯乙烷以达到除气的作用，净化铝液。搅拌通气过程持续2-5分钟后关闭，出气阀保持开启。
18.s5、第二次加料：将搅拌、通气后的铝熔体静置五分钟后，缓慢匀速抽出第一漏网的封窗，添加第一漏网上的氟钛酸钾，同样开启通气搅拌动力装置及通入氩气或者六氯乙烷，2分钟后关闭并静置铝液5-10分钟。
19.s6、抽出漏网及封窗，关闭出气阀，将上述步骤所得均匀铝液缓慢倒入预热300℃
–
400℃的金属模具之中。
20.进一步的，所述坩埚电阻炉加热铝锭直至融化的温度控制在700℃
–
740℃，第一次加料温度控制在在740℃-760℃，第二次加料温度在760℃
–
780℃。
21.进一步的，所述通气搅拌装置是以碳作为主要材质，并在搅拌叶片之间间隔设置通气孔，通气搅拌装置的底部连接通气管。
22.进一步的，所述通气搅拌装置的转速在40-80转/min。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果：
24.本发明提供了一种雨淋式加料制备al-5ti-b中间合金细化剂的装置，在坩埚电阻炉内添加漏网以及封窗，底部安装搅拌装置来实现氟盐均匀融入铝液，实现氟钛酸钾、氟硼酸钾通过预热后均匀加入铝溶液，减少多次加料过程中与空气的接触。
25.通过上述装置制备al-5ti-b中间合金细化剂，通过控制漏网底部封窗的抽出速度，使漏网之上氟盐如雨淋一般落入铝液中，同时配合坩埚电阻炉底部通气搅拌装置，进一步打碎氟盐颗粒使其均匀融入铝液之中，大幅提升晶粒细化剂的细化效果，可进一步提升铝及其铝合金的综合性能。制造出的al-5ti-b中间合金细化剂在前端，中端，后端晶粒大小
较为一致，分布较为均匀，细化效果良好。
附图说明
26.图1是本发明装置示意图；
27.图2是本发明装置使用状态示意图；
28.附图标记：1坩埚电阻炉，2第一漏网，3第一封窗，4第二漏网，5第二封窗，6通气搅拌动力装置，7纯铝锭，8通气孔，9出气阀，10通气管，11氟钛酸钾，12氟盐颗粒，13铝液
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
30.本发明提供一种制备al-5ti-b中间合金细化剂的装置，该装置包括坩埚电阻炉1，坩埚电阻炉是一个密闭腔体，在坩埚电阻炉的炉壁上设有至少一个贯穿槽口(图中未示出)，在槽口处插入漏网及封窗，封窗位于漏网底部，并完全覆盖漏网，漏网与封窗呈活动式连接；所述漏网与封窗可从槽口处伸出；在封窗下方5-10cm处设有出气阀9，出气阀9另一端连接至排气系统。出气阀9一方面能够平衡炉内气压，另一方面，出气阀9对炉内气体起到引流作用，更有利于后续工艺对铝热反应产生毒性气体进行环保处理。
31.优选的，漏网孔洞呈方形阵列分布，且孔洞面积在1mm2左右。本发明中孔洞的大小是关键参数，需要控制孔洞大小来控制添加材料的速率，过大容易造成漏下去的材料增多，过小造成漏下去的材料减少。
32.进一步，漏网与封窗可设置两个或两个以上。优选的，漏网包括第一漏网2与第二漏网4，同时设有对应的第一封窗3、第二封窗5与槽口。优选的，第一漏网距离炉胆边沿以下8-10cm；第二漏网4与第一漏网2距离8-10cm；以完成物料的多次添加。
33.优选的，在坩埚电阻炉1底部安装通气搅拌动力装置6。所述通气搅拌动力装置为立式碳制搅拌头，搅拌头上设有多个通气孔8，通气孔8与通气管10相连，用于通入气体。
34.进一步，坩埚电阻炉1的外壁外周环绕设置有加热装置与水冷装置(图中未示出)。进一步，坩埚电阻炉1设有观察和测温窗口(图中未示出)。
35.接下来采用该装置，进行al-5ti-b中间合金细化剂的制备。采用雨淋式的加料方式，将混合均匀的氟钛酸钾与氟硼酸钾提前放入坩埚电阻炉1中，选择合适的时机缓慢匀速抽出第二封窗5，使氟钛酸钾、氟硼酸钾如雨淋一般落入铝液13中，同时开启底部通气搅拌装置6及出气阀9，通过通气搅拌装置6打碎氟钛酸钾、氟硼酸钾等颗粒并使其均匀融入纯铝液；通过出气阀9保持炉内气压平衡并导出铝热反应产生的废气；完成一轮加料、搅拌、除气、静置之后，通过抽出第一封窗3，完成第二次加料、搅拌、除气及静置。
36.具体步骤如下：
37.s1、对改进后的坩埚电阻炉，水冷装置，排气装置以及通气搅拌动力装置等进行全面的检查，确保其正常工作。
38.s2、进行配料：根据中间合金细化剂各元素质量百分比：ti5％-10％、b3％-5％、其余为al，取纯铝锭8-12kg、氟硼酸钾1-1.5kg、氟钛酸钾粉末2-4kg、进行配料。
39.s3、将备好的纯铝锭放进改进后的坩埚电阻炉底部，温度设置为700℃-800℃加热，待纯铝锭融化后，刮去表面浮渣。
40.s4、插入第二漏网4及第二封窗5，按摩尔比例1：2在第二漏网4上平铺预先混料好的1-1.5kg氟硼酸钾及2-3kg氟钛酸钾。
41.s5、插入第一漏网2及第一封窗3，并在第一漏网2上平铺剩余的氟钛酸钾。
42.s6、开启出气阀9，开启底部搅拌装置五分钟后，缓慢匀速抽出第二封窗5，使混料好、预热好的氟盐颗粒12添加进铝液13中，同时，通过底部搅拌装置的通气孔8，通入氩气以达到除气的作用，搅拌通气过程持续2-5分钟后关闭，出气阀9保持开启。
43.s7、将搅拌、通气后的铝熔体静置五分钟后，缓慢匀速抽出第一封窗3，添加剩余的氟钛酸钾11，同样开启搅拌装置及通入氩气，2分钟后关闭并静置铝液5-10分钟。
44.s8、抽出漏网及封窗，关闭出气阀，将上述步骤所得均匀铝液缓慢倒入预热300℃
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400℃的金属模具之中。
45.进一步的，所述坩埚电阻炉加热铝锭直至融化的温度控制在700℃
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740℃，第一次加料温度控制在在740℃-760℃，第二次加料温度在760℃
–
780℃。
46.进一步的，所述通气搅拌装置是以碳作为主要材质，并在搅拌叶片之间间隔做孔，搅拌装置底部连接氩气瓶。
47.进一步的，所述通气搅拌装置的转速在40-80转/min。
48.实施例1
49.s1、将干净的纯铝锭7称重10kg置于电阻炉1底部，加热温度设置为700℃，并等待至纯铝锭融化。等待期间称量好2.6kg氟钛酸钾，1.2kg氟硼酸钾。将氟钛酸钾分为两部分，一部分按摩尔比例1:2称取其中氟钛酸钾与氟硼酸钾，作为第一次加料的氟盐颗粒12，通过混料机进行均匀混合。剩余的氟钛酸钾作为第二次加料使用。具体的，本实施例中第一次加料的氟盐颗粒12由1.14kg氟钛酸钾和1.2kg氟硼酸钾混合而成。
50.s2、观察纯铝锭7已完全融化成铝液13，通过扒渣工具清除铝液表面浮渣，将步骤s1备好的氟盐颗粒12以均匀平铺的方式置于第二漏网4及第二封窗5上；将剩余的1.46kg氟钛酸钾以均匀平铺的方式置于第一漏网2及第一封窗3上；打开出气阀，将载有上述物料的漏网与封窗从槽口推入坩埚电阻炉1内。
51.s3、将炉内温度升至740℃，此时开启底部通气搅拌装置6，速度设置为60转/min，并缓慢抽出第二封窗5，使氟盐颗粒12以雨淋的方式添加进铝液13之中，同时打开通气管10的阀门，通入氩气，持续通气及搅拌5分钟后关闭搅拌，并静置铝液5分钟。
52.s4、炉内温度保持在760℃，再次开启通气搅拌装置6，速度设置为70转/min，并缓慢抽出第一封窗3，同时打开通气管10的阀门，通入氩气，搅拌及通气5分钟后关闭，并静置溶液5分钟。
53.s5、抽出第一漏网2与第二漏网4，关闭出气阀，加入草木灰与上层浮沫杂质发生燃烧反应，并用扒渣工具将铝液13表面反应产物捞出，随后倾倒底部铝液13于预热300℃的金属模具中，自然冷却，完成al-5ti-b中间合金细化剂的制备。
54.将冷却后的细化剂分别取2％作为添加剂加入纯铝锭进行细化实验，将细化后的
铝块通过强酸腐蚀，并使用金相显微镜查看细化结果。具体如下：
55.细化剂表面质量：表面光整呈银白色，无明显缩孔，缩孔，气孔等铸造缺陷
56.细化剂颗粒形貌：tial3粒子呈块状分布，粒径最大尺寸为42.2μm，粒径平均尺寸为23.2μm，未出现团聚现象，各位置均匀分布；tib2粒子呈弥散分布，粒径最大尺寸为2.34μm，粒径平均尺寸为0.97μm，未出现团聚现象，各位置均匀分布。
57.上层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.46mm。
58.中层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.45mm。
59.下层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.46mm。
60.对比例1
61.按照实施例1的方法制备al-5ti-b中间合金细化剂，不同的是，所用坩埚电阻炉1内没有漏网与封窗，采用人工倾倒的方式二次添加氟钛酸钾、氟硼酸钾，所得到的细化剂具体情况如下；
62.细化剂表面质量：表面光整呈银白色，无明显缩孔，缩孔，气孔等铸造缺陷
63.细化剂颗粒形貌：tial3粒子呈块状分布，部分呈长条分布，粒径最大尺寸为72.6μm，粒径平均尺寸为42.5μm，于铝锭表面出现团聚现象；tib2粒子呈弥散分布，粒径最大尺寸为3.24μm，粒径平均尺寸为1.17μm，未出现团聚现象。
64.上层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.87mm。
65.中层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.43mm。
66.下层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.66mm。
67.采用人工倾倒的方式添加氟盐，会加大氟盐与空气接触面积，带入更多空气发生氧化反应，且未经过漏网筛选，存在部分大颗粒加入至铝液中，不利于实验结果。
68.对比例2(加料温度的影响)
69.按照实施例1的方法制备al-5ti-b中间合金细化剂，不同的是，调整第一次加料温度控制在760℃-780℃，具体情况如下：
70.细化剂表面质量：表面光整，通体出现焦黄色，无明显缩孔，缩孔，气孔等铸造缺陷。
71.细化剂颗粒形貌：tial3粒子呈块状分布，粒径最大尺寸为62.3μm，粒径平均尺寸为31.3μm，未出现团聚现象，各位置均匀分布；tib2粒子呈弥散分布，粒径最大尺寸为3.02μm，粒径平均尺寸为1.12μm，未出现团聚现象，各位置均匀分布。
72.上层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.92mm。
73.中层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.87mm。
74.下层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.95mm。
75.当加料温度高于780℃时，进行细化剂的制备，提高温度容易与本身存在的铝热反应叠加，容易发生过烧，且细化效果恶化。当加料温度低于740℃时加料不容易融化。
76.对比例3(搅拌时长的影响)
77.按照实施例1的方法制备al-5ti-b中间合金细化剂，不同的是，调整步骤s3与步骤s4搅拌时间为2分钟，具体情况如下：
78.细化剂表面质量：表面光整，通体出现银白色，无明显缩孔，缩孔，气孔等铸造缺陷。
79.细化剂颗粒形貌：tial3粒子呈块状分布，粒径最大尺寸为55.8μm，粒径平均尺寸为27.3μm，出现部分团聚现象；tib2粒子呈弥散分布，粒径最大尺寸为2.72μm，粒径平均尺寸为1.04μm，未出现团聚现象，各位置均匀分布。
80.上层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.66mm。
81.中层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.57mm。
82.下层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.54mm。
83.与实施例1搅拌时间5分钟相比，若搅拌时间过短，不容易搅拌均匀且存在部分大颗粒未被打碎。
84.实施例2
85.本实施例采用2％实施例1制备的al-5ti-b中间合金细化剂，添加至铝液13中，进行细化实验。
86.上层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.45mm。
87.中层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.45mm。
88.下层熔液制备细化剂细化效果：纯铝的平均晶粒尺寸由3.47mm，细化后平均晶粒尺寸0.46mm。
89.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种雨淋式加料制备al-5ti-b中间合金细化剂的装置，其特征在于，该装置包括坩埚电阻炉，所述坩埚电阻炉是一个密闭腔体，在所述坩埚电阻炉的炉壁上设有至少一个贯穿槽口，在所述坩埚电阻炉内靠近炉口处设有漏网及封窗，所述封窗位于漏网底部，并完全覆盖所述漏网，所述漏网与所述封窗呈活动式连接；所述漏网与封窗可从槽口处伸出；在所述封窗下方5-10cm处设有出气阀，所述出气阀另一端连接至排气系统；氟钛酸钾和/或氟硼酸钾通过所述漏网进行雨淋式加料。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述漏网的孔洞呈方形阵列分布，且孔洞面积为1mm2。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述漏网包括第一漏网与第二漏网，同时设有对应的第一封窗与第二封窗。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一漏网距离炉口8-10cm；所述第二漏网距离所述第一漏网8-10cm。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述坩埚电阻炉的底部安装通气搅拌动力装置。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，坩埚电阻炉设有观察和测温窗口。7.采用权利要求1至6任一项所述装置制备al-5ti-b中间合金细化剂的工艺，其特征在于，包括以下步骤：s1、配料：根据中间合金细化剂各元素质量百分比：ti5％-10％、b3％-5％、其余为al；按纯铝锭、氟硼酸钾、氟钛酸钾的重量比8-12﹕1-1.5﹕2-4称取；s2、熔炼：将备好的纯铝锭放进坩埚电阻炉底部，温度设置为700℃-800℃加热，待纯铝锭融化后，刮去表面浮渣；s3、备料：按摩尔比例称取混合好第一次加料物及第二次加料物；分别平铺在所述漏网上；s4、第一次加料：开启出气阀，开启底部通气搅拌动力装置，缓慢匀速抽出第二漏网的封窗，使第二漏网上平铺的第一次加料物添加进铝液中，进行合金化反应；同时从底部通气搅拌动力装置的通气孔通入氩气或者六氯乙烷以达到除气的作用，搅拌通气过程持续2-5分钟后关闭，出气阀保持开启；s5、第二次加料：将搅拌、通气后的铝熔体静置后，缓慢匀速抽出第一漏网的封窗，添加第一漏网上的第二次加料物，同样开启通气搅拌动力装置及通入氩气或者六氯乙烷，2分钟后关闭并静置铝液5-10分钟；s6、抽出漏网及封窗，关闭出气阀，将上述步骤所得均匀铝液缓慢倒入预热300℃
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400℃的金属模具之中。8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，第一次加料物为氟钛酸钾、氟硼酸钾按摩尔比例1﹕2所配制的混合物，第二次加料物为氟钛酸钾。9.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，第一次加料温度控制在在740℃-760℃，第二次加料温度在760℃
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780℃。10.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述通气搅拌装置的转速在40-80转/min。

技术总结
本发明公开一种雨淋式加料制备Al-5Ti-B中间合金细化剂的装置与工艺，通过在坩埚电阻炉内部添加漏网与封窗，使物料通过自由落体更加均匀融入铝液中进行充分反应。本发明还公开了使用该装置制备Al-5Ti-B中间合金细化剂的方法，通过控制封窗的进出实现多次加料，该加料方式与空气接触时间短，且雨淋式的加料方式使得氟盐以更加分散的形式加入铝液，反应更加均匀充分。同时在反应过程开启搅拌，进一步打碎物料颗粒，促使反应进行的更充分；除此之外还减少铝液氧化的程度，提升铝钛硼中间合金晶粒细化剂的细化能力，获得晶粒大小较为一致、分布较为均匀、细化效果良好的Al-5Ti-B中间合金细化剂。金细化剂。金细化剂。


技术研发人员：廖敏 刘文鑫 喻鼎辉 廖志辉 喻强 沈甫原 朱云 李杰 罗学涛
受保护的技术使用者：福建省漳平市九鼎氟化工有限公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/23