Figure 5 OM images of the microstructure at the bonding interface “A4”of bimetallic castings with different surface treatment methods of the gray iron inserts: (a) no treatment except for being cleaned; (b) salt membrane plating; (c) zinc barrel plating for 1 hour; (d) zinc barrel plating for 2 hours; (e) zinc barrel plating for 3 hours; (f) zinc rack plating for 1 hour

이 기술 요약은 Mengwu Wu 외 저자가 2022년 The International Journal of Advanced Manufacturing Technology에 발표한 논문 “Bonding of Cast Iron-Aluminum In Bimetallic Castings By High Pressure Die Casting Process”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가를 위해 분석 및 요약되었습니다.

Keywords

  • Primary Keyword: 바이메탈 주조 (Bimetallic Casting)
  • Secondary Keywords: 고압 다이캐스팅(HPDC), 결합 계면, 알루미늄, 주철, 표면 처리, 아연 도금

Executive Summary

  • The Challenge: 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 주철과 알루미늄과 같은 이종 금속 간의 견고한 야금학적 결합을 달성하는 것은 산화층 형성 및 짧은 공정 시간으로 인해 매우 어렵습니다.
  • The Method: 연구팀은 주철 인서트에 염막 도금, 전기 아연 도금 등 다양한 표면 처리 방법을 적용한 후, A380 알루미늄 합금을 HPDC 공정으로 오버캐스팅하여 바이메탈 주조품을 제작했습니다.
  • The Key Breakthrough: 주철 인서트 표면에 평균 8µm 두께의 조밀한 아연 랙 도금(zinc rack plating)을 적용했을 때, 약 1µm 두께의 반응층을 형성하며 흠 없고 연속적인 야금학적 결합을 성공적으로 구현했습니다.
  • The Bottom Line: 적절한 표면 처리(특히 아연 랙 도금)와 최적화된 용탕 유동 속도 및 열전달 제어가 HPDC 바이메탈 주조의 성공을 위한 핵심 요소임이 입증되었습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

자동차 산업을 필두로 경량화와 고성능을 동시에 요구하는 부품 수요가 증가하면서, 단일 금속으로는 달성하기 어려운 우수한 종합 특성을 가진 바이메탈 소재가 주목받고 있습니다. 특히, 알루미늄 엔진 실린더 블록에 주철 라이너를 결합하는 것은 대표적인 예입니다.

그러나 주철과 알루미늄처럼 열-물리적 특성 차이가 큰 이종 금속을 접합하는 것은 매우 까다롭습니다. 특히 대량 생산에 유리한 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정은 매우 짧은 충전 및 응고 시간으로 인해 두 금속 간의 충분한 확산과 반응을 유도하기 어려워 야금학적 결합 형성에 큰 도전 과제가 있었습니다. 기존 연구는 대부분 사형 또는 금형 주조에 집중되어 있어, HPDC를 이용한 Fe-Al 바이메탈 주조는 미개척 분야로 남아 있었습니다. 본 연구는 바로 이 지점에서 실용적인 해결책을 제시합니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 복잡한 형상의 “하부 실린더 블록” 바이메탈 주조품을 HPDC 공정으로 제작했습니다. 경량화를 위해 대부분 A380 알루미늄 합금을 사용했으며, 내마모성과 국부 강도가 요구되는 베어링 하우징 부위에는 HT250 회주철 인서트를 적용했습니다.

결합 품질을 향상시키기 위해 주철 인서트에 다음과 같은 6가지 다른 표면 처리 조건을 적용하여 비교 실험을 수행했습니다.

  1. 세척만 진행 (무처리)
  2. 염막 도금 (Salt membrane plating)
  3. 아연 배럴 도금 (Zinc barrel plating) 1시간
  4. 아연 배럴 도금 2시간
  5. 아연 배럴 도금 3시간
  6. 아연 랙 도금 (Zinc rack plating) 1시간

표면 처리된 인서트는 200°C로 예열된 후 다이캐스팅 금형에 장착되었으며, 650°C의 알루미늄 용탕이 80MPa의 증압 하에 주입되었습니다. 제작된 주조품의 여러 부위(A1~A4, B1~B3)에서 시편을 채취하여 광학 현미경(OM), 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM) 등으로 계면의 미세구조와 성분을 분석했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 아연 랙 도금이 완벽한 야금학적 결합의 핵심

표면 처리 방식은 결합 품질에 결정적인 영향을 미쳤습니다. – 무처리(그림 5a): 20µm 이상의 넓은 갭이 관찰되어 결합이 전혀 이루어지지 않았습니다. – 염막 도금(그림 5b): 갭은 줄었지만, 계면에 다수의 개재물이 존재하여 결합 품질이 낮았습니다. – 아연 배럴 도금(그림 5c-e): 도금 시간이 길어질수록 갭이 줄어들며 결합이 개선되었으나, 완벽하지는 않았습니다. – 아연 랙 도금(그림 5f): 갭이 완전히 사라지고, 두 금속 사이에 흠 없고 연속적인 반응층이 형성되었습니다. 이는 성공적인 야금학적 결합이 이루어졌음을 의미합니다. 아연 랙 도금은 1시간 처리만으로 평균 8µm의 두껍고 조밀한 아연 코팅층을 형성(그림 3d)하여 최상의 결과를 보였습니다.

Finding 2: 용탕 유동 속도와 열전달이 결합 균일성을 좌우

동일한 주조품 내에서도 위치에 따라 결합 품질이 다르게 나타났습니다. 시뮬레이션 결과(그림 9, 10)를 통해 그 원인을 규명했습니다. – 높은 유동 속도의 중요성: 야금학적 결합이 잘 이루어진 ‘A4’ 계면은 다른 계면(A1, A2, A3)에 비해 용탕의 유동 속도가 월등히 높았습니다(그림 10a). 높은 유동 속도는 주철 인서트 표면에 강한 열충격을 가해 아연 코팅의 용해와 확산을 촉진하고, 깨끗한 철 표면을 노출시켜 알루미늄과의 반응을 유도합니다. – 느린 냉각 속도의 영향: 완벽한 결합을 보인 ‘B2’ 계면은 다른 계면(B1, B3)보다 용탕의 냉각 속도가 현저히 느렸습니다(그림 10b). 이는 확산 및 반응에 필요한 시간을 더 많이 확보해주어 결합 형성에 유리하게 작용합니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 이 연구는 바이메탈 HPDC 공정에서 인서트의 표면 처리가 매우 중요함을 시사합니다. 특히, 8µm 두께의 조밀한 아연 랙 도금은 결함 없는 결합을 위한 효과적인 방법이 될 수 있습니다. 또한, 게이트 설계를 통해 결합이 필요한 계면에 용탕이 높은 속도로 평행하게 흐르도록 유도하는 것이 중요합니다.
  • For Quality Control Teams: 논문의 그림 7은 동일 부품 내에서도 위치에 따라 결합 품질 편차가 발생할 수 있음을 보여줍니다. 시뮬레이션 결과(그림 10)와 연계하여 용탕 유동이 정체되거나 급격히 변하는 영역을 잠재적인 결합 불량 부위로 예측하고, 해당 부위의 품질 검사를 강화하는 기준을 수립할 수 있습니다.
  • For Design Engineers: 초기 설계 단계에서부터 바이메탈 결합 계면의 위치와 방향을 고려해야 합니다. 결합 계면이 용탕의 주 유동 방향과 평행하게 배치될 때 더 우수한 결합을 얻을 수 있다는 발견은 부품 설계 시 중요한 지침이 될 수 있습니다.

Paper Details

Bonding of Cast Iron-Aluminum In Bimetallic Castings By High Pressure Die Casting Process

1. Overview:

  • Title: Bonding of Cast Iron-Aluminum In Bimetallic Castings By High Pressure Die Casting Process
  • Author: Mengwu Wu, Jinpeng Yang, Feng Huang, Lin Hua, Shoumei Xiong
  • Year of publication: 2022 (Preprint posted Oct 2021, Published Feb 2022)
  • Journal/academic society of publication: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
  • Keywords: High pressure die casting, Bimetallic casting, Bonding interface, Aluminum, Cast iron

2. Abstract:

알루미늄 매트릭스와 주철 인서트로 구성된 실용적인 바이메탈 주조품을 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정으로 제조했다. 염막 도금 및 전기 아연 도금을 포함한 주철 인서트의 다양한 표면 처리 방법을 채택하여 바이메탈 주조품의 결합 품질을 향상시켰다. 바이메탈 주조품의 다른 위치에서 결합 계면에 대한 미세구조 특성화를 수행했다. 결과에 따르면, 주철 인서트 표면에 아연 랙 도금 처리를 통해 평균 두께 8µm의 조밀한 아연 코팅을 형성함으로써, 흠 없고 연속적인 야금학적 결합 계면을 가진 화합물을 HPDC 공정으로 성공적으로 제작할 수 있다. HPDC 공정의 응고 중 용탕 유동 속도와 열전달은 바이메탈 주조의 결합 무결성을 결정하는 두 가지 핵심 요소이다. 응고 중 매우 얇은 아연 코팅의 용해 및 확산으로 인해 야금학적 결합 계면에서 아연 원소의 명백한 응집은 없었다. 대신, 불규칙한 혀 모양의 형태를 가진 반응층이 평균 약 1µm 두께로 형성되었으며, 이는 주로 Al60Cu30Fe10 및 Al2FeSi 등과 같은 금속간 화합물상으로 구성된다.

3. Introduction:

바이메탈 재료는 일반적으로 단일 금속 재료로는 달성하기 매우 어려운 우수한 종합 특성을 가지고 있다. 다른 바이메탈 결합 공정과 비교하여, 고체-액체 바이메탈 복합 주조는 우수한 계면 결합 품질, 높은 생산 효율성 및 넓은 적용 합금 범위 등의 장점으로 현대 산업에서 널리 사용되어 왔다. 예를 들어, 이 공정의 자동차 분야에서 가장 대표적인 적용 사례는 주철 라이너가 있는 알루미늄 엔진 실린더 블록의 제조이다. Fe-Al 바이메탈 실린더 블록은 기존의 주철 실린더 블록에 비해 경량화 및 열전도성 면에서 우수한 성능을 보여 20년 이상 연구 대상이 되어 왔다. 고체-액체 복합 주조의 과제는 두 금속 부품 간의 견고한 결합을 실현하는 것이다.

Figure 1 Configuration of the practical bimetallic casting and illustration of the locations of specimens extracted for microstructure characterization
Figure 1 Configuration of the practical bimetallic casting and illustration of the locations of specimens extracted for microstructure characterization

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

바이메탈 주조는 경량화, 내마모성, 열전도성 등 복합적인 특성을 요구하는 현대 산업 부품, 특히 자동차 엔진 부품에 필수적인 기술이다.

Status of previous research:

대부분의 기존 연구는 사형 또는 금형 주조 공정을 기반으로 하며, 이종 금속 간의 결합을 개선하기 위해 다양한 코팅(Zn, Ni, Cu) 및 표면 처리 기술을 적용해왔다. 그러나 생산성이 높은 HPDC 공정은 짧은 가열 및 냉각 시간으로 인해 야금학적 결합을 달성하기 어려워 관련 연구가 부족한 실정이었다.

Purpose of the study:

본 연구는 HPDC 공정을 이용하여 주철 인서트와 알루미늄 매트릭스로 구성된 실용적인 바이메탈 주조품을 제작하고, 다양한 표면 처리 방법과 공정 변수가 결합 품질에 미치는 영향을 규명하여 최적의 제조 조건을 찾는 것을 목표로 한다.

Core study:

주철 인서트에 대한 6가지 표면 처리(무처리, 염막 도금, 3가지 조건의 아연 배럴 도금, 아연 랙 도금)를 비교하고, HPDC 공정으로 제작된 바이메탈 주조품의 여러 위치에서 계면 미세구조를 분석했다. 또한, 충전 및 응고 시뮬레이션을 통해 용탕 유동 속도와 온도 변화가 결합 품질에 미치는 영향을 분석했다.

Figure 3 Cross section morphology of the gray iron inserts and thickness of zinc coating: (a) zinc barrel plating for 1 hour; (b) zinc barrel plating for 2 hours; (c) zinc barrel plating for 3 hours; (d) zinc rack plating for 1 hour
Figure 3 Cross section morphology of the gray iron inserts and thickness of zinc coating: (a) zinc barrel plating for 1 hour; (b) zinc barrel plating for 2 hours; (c) zinc barrel plating for 3 hours; (d) zinc rack plating for 1 hour

5. Research Methodology

Research Design:

실제 부품인 “하부 실린더 블록”을 대상으로 A380 알루미늄 합금과 HT250 회주철 인서트를 사용하여 HPDC 바이메탈 주조를 수행했다. 주철 인서트의 표면 처리 방법을 핵심 변수로 설정하여 6개의 실험 그룹을 구성하고, 각 그룹의 결합 계면 특성을 비교 분석했다.

Data Collection and Analysis Methods:

제작된 주조품에서 시편을 채취하여 OM, SEM-EDS, TEM을 사용하여 계면의 미세구조, 갭 존재 여부, 반응층의 형태와 두께, 원소 분포 및 상(phase)을 분석했다. Anycasting 소프트웨어를 사용하여 HPDC 공정의 충전 및 응고 과정을 시뮬레이션하고, 각 계면에서의 용탕 유동 속도와 온도 변화 데이터를 수집했다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 주철-알루미늄 바이메탈 주조에 국한되며, HPDC 공정을 사용한다. 핵심 연구 주제는 (1) 주철 인서트의 표면 처리 방법이 결합 품질에 미치는 영향, (2) HPDC 공정 변수(용탕 유동, 열전달)가 위치별 결합 균일성에 미치는 영향, (3) 성공적으로 형성된 야금학적 결합 계면의 미세구조 및 상 분석이다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 1시간 동안의 랙 도금 공정으로 주철 인서트 표면에 평균 8µm 두께의 조밀한 아연 코팅이 형성되었다.
  • 아연 랙 도금 표면 처리를 통해 HPDC 공정으로 흠 없고 연속적인 야금학적 결합 계면을 가진 주철-알루미늄 화합물을 성공적으로 제작할 수 있다.
  • HPDC 공정의 응고 중 용탕 유동 속도와 열전달은 바이메탈 주조의 결합 무결성을 결정하는 두 가지 핵심 요소이다.
  • 야금학적 결합 계면에서는 아연 원소의 뚜렷한 응집이 없는 반면, 구리(Cu) 함량은 확산에 의해 A380 알루미늄 합금 매트릭스보다 높게 나타났다.
  • 야금학적 결합이 있는 바이메탈 주조의 계면 미세구조에서는 불규칙한 혀 모양의 반응층이 형성되며, 평균 두께는 약 1µm이고 Al60Cu30Fe10 및 Al2FeSi 등과 같은 금속간 화합물로 구성된다.

Figure List:

  • Figure 1: Configuration of the practical bimetallic casting and illustration of the locations of specimens extracted for microstructure characterization
  • Figure 2: Appearance of the gray iron inserts: (a) no treatment except for being cleaned; (b) salt membrane plating; (c) electrogalvanizing
  • Figure 3: Cross section morphology of the gray iron inserts and thickness of zinc coating: (a) zinc barrel plating for 1 hour; (b) zinc barrel plating for 2 hours; (c) zinc barrel plating for 3 hours; (d) zinc rack plating for 1 hour
  • Figure 4: Surface micro-morphology of the gray iron inserts and the corresponding EDS mapping results: (a-c) zinc barrel plating for 1 hour; (d-f) zinc barrel plating for 2 hours; (g-i) zinc barrel plating for 3 hours; (j-l) zinc rack plating for 1 hour
  • Figure 5: OM images of the microstructure at the bonding interface “A4”of bimetallic castings with different surface treatment methods of the gray iron inserts: (a) no treatment except for being cleaned; (b) salt membrane plating; (c) zinc barrel plating for 1 hour; (d) zinc barrel plating for 2 hours; (e) zinc barrel plating for 3 hours; (f) zinc rack plating for 1 hour
  • Figure 6: High magnification SEM image of the interfacial microstructure shown in figure 5(f) and the corresponding EDS line scanning results
  • Figure 7: OM images of the microstructure at different bonding interfaces of the bimetallic casting with a treatment of zinc rack plating for 1 hour on surface of the gray iron inserts: (a) A1; (b) A2; (c) A3; (d) A4; (e) B1; (f) B2; (g) B3
  • Figure 8: Element distribution and phase identification in the interfacial layer with metallurgical bonding: (a) TEM bright-field image showing interfacial microstructure; (b) microbeam electron diffraction pattern of point 3; (c-f) the corresponding EDS mapping results
  • Figure 9: Simulated results of mold filling near section A during the HPDC process at different times: (a) 0.3199 s; (b) 0.3233 s; (c) 0.3287 s; (d) 0.3302 s
  • Figure 10: Simulated results of the variation trend of the melt flow speed and temperature at different interfaces: (a) melt flow speeds at interfaces A1-A4; (b) melt temperatures at interfaces B1-B3 (Note: for each interface, the simulated data is exacted from the center point to represent the whole interface.)
  • Figure 11: SEM images of the interfacial microstructure and the corresponding EDS mapping results of the zinc element: (a-b) interface with metallurgical bonding; (c-d) interface without metallurgical bonding

7. Conclusion:

본 연구에서는 주철 인서트의 표면 처리 방법과 주조 공정이 실용적인 바이메탈 주조품의 결합 품질에 미치는 영향을 조사했다. 다음 결론을 도출할 수 있다.

  1. 1시간 동안의 랙 도금 공정으로 주철 인서트 표면에 평균 8µm 두께의 조밀한 아연 코팅이 형성된다.
  2. 주철 인서트 표면에 아연 랙 도금 처리를 하면 HPDC 공정으로 흠 없고 연속적인 야금학적 결합 계면을 가진 주철-알루미늄 화합물을 성공적으로 제작할 수 있다.
  3. HPDC 공정의 응고 중 용탕 유동 속도와 열전달은 바이메탈 주조의 결합 무결성을 결정하는 두 가지 핵심 요소이다. 응고 중 매우 얇은 아연 코팅의 용해 및 확산으로 인해 야금학적 결합 계면에서 아연 원소의 명백한 응집은 없으며, 구리 함량은 확산에 의해 A380 알루미늄 합금 매트릭스보다 높다.
  4. 야금학적 결합이 있는 바이메탈 주조의 계면 미세구조에서는 불규칙한 혀 모양의 반응층이 형성되며, 평균 두께는 약 1µm이고 Al60Cu30Fe10 및 Al2FeSi 등과 같은 금속간 화합물로 구성된다.
Figure 5 OM images of the microstructure at the bonding interface “A4”of bimetallic castings with different surface treatment methods of the gray iron inserts: (a) no treatment except for being cleaned; (b) salt membrane plating; (c) zinc barrel plating for 1 hour; (d) zinc barrel plating for 2 hours; (e) zinc barrel plating for 3 hours; (f) zinc rack plating for 1 hour
Figure 5 OM images of the microstructure at the bonding interface “A4”of bimetallic castings with different surface treatment methods of the gray iron inserts: (a) no treatment except for being cleaned; (b) salt membrane plating; (c) zinc barrel plating for 1 hour; (d) zinc barrel plating for 2 hours; (e) zinc barrel plating for 3 hours; (f) zinc rack plating for 1 hour

8. References:

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 주철 인서트의 코팅 재료로 아연(Zn)을 선택한 특별한 이유가 있나요?

A1: 네, 논문에 따르면 아연은 여러 가지 중요한 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 420°C의 비교적 낮은 녹는점을 가져 HPDC 공정 중 용융 알루미늄에 의해 쉽게 용해될 수 있습니다. 둘째, 고온에서 알루미늄에 대한 용해도가 높아 확산에 유리합니다. 마지막으로, 아연은 산화 시 얇고 조밀한 산화 아연(ZnO) 막을 형성하여 내부의 아연 금속과 주철 인서트가 추가로 산화되는 것을 효과적으로 방지해 줍니다. 이러한 특성들이 주철과 알루미늄 용탕 사이의 젖음성을 향상시키고 야금학적 반응을 촉진하는 데 결정적인 역할을 합니다.

Q2: 동일한 부품 내에서 위치에 따라 결합 품질이 크게 달라진 이유는 무엇인가요?

A2: 논문의 시뮬레이션 결과(그림 9, 10)는 이것이 국부적인 용탕 유동 및 열전달 조건의 차이 때문임을 명확히 보여줍니다. 예를 들어, ‘A4’ 계면처럼 용탕이 높은 속도로 평행하게 흐르는 곳에서는 강한 열 충격으로 아연 코팅이 효과적으로 제거되고 깨끗한 철 표면이 노출되어 우수한 결합이 형성되었습니다. 반면, ‘A1’과 ‘A3’ 계면은 용탕 흐름에 수직이거나 유동이 정체되는 구간으로, 충분한 열과 운동량을 전달받지 못해 결합이 불량했습니다.

Q3: 성공적으로 형성된 결합 계면의 반응층은 어떤 특성을 가지고 있나요?

A3: TEM 및 SEM 분석(그림 6, 8) 결과, 반응층은 평균 두께 약 1µm의 불규칙한 혀(tongue-like) 모양을 가집니다. 이 층은 금속간 화합물(IMC)로 구성되어 있으며, EDS 분석을 통해 Al60Cu30Fe10, Al2FeSi와 같은 상이 존재하는 것으로 확인되었습니다. 흥미로운 점은 구리(Cu)가 A380 합금 모재보다 이 반응층에 더 높게 농축되어 있다는 것인데, 이는 Cu 원자 반경이 Al보다 Fe에 더 가까워 확산이 용이했기 때문일 수 있습니다.

Q4: HPDC 공정 중 아연 코팅에는 어떤 변화가 일어나나요?

A4: 논문의 그림 11은 결합이 잘 된 계면과 그렇지 않은 계면에서 아연의 거동이 다름을 보여줍니다. 야금학적 결합이 성공한 계면에서는 얇은 아연 코팅이 고온의 알루미늄 용탕에 의해 완전히 용해되고 확산되어 사라졌습니다. 이 과정에서 깨끗하고 활성화된 주철 표면이 노출되어 알루미늄과 직접 반응할 수 있는 최적의 조건이 만들어졌습니다. 반면, 결합이 불량한 계면에서는 아연이 완전히 용해되지 않고 계면에 응집된 상태로 남아 결합을 방해했습니다.

Q5: 아연 도금 방식 중 배럴 도금보다 랙 도금이 더 우수한 결과를 보인 이유는 무엇인가요?

A5: 논문의 그림 3과 4를 비교해 보면, 랙 도금(rack plating)이 배럴 도금(barrel plating)보다 더 두껍고(8µm vs 1-4.5µm) 균일하며 조밀한 코팅층을 형성했기 때문입니다. 배럴 도금은 1시간 처리 시 매우 불균일하고 성긴 코팅을 형성하여 철 표면이 많이 노출되었습니다. 반면, 랙 도금은 1시간 만에 주철 인서트 표면을 효과적으로 보호하고, HPDC 공정 중 적절한 용해 및 확산을 통해 최상의 결합 조건을 제공하는 이상적인 코팅층을 만들었습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 주철과 알루미늄 간의 견고한 바이메탈 주조 결합을 달성하기 위한 실용적이고 효과적인 해법을 제시합니다. 핵심은 주철 인서트에 8µm 두께의 조밀한 아연 랙 도금을 적용하여 산화를 방지하고, 용탕 유동 속도와 냉각 속도를 최적화하여 금속 간의 충분한 확산과 반응을 유도하는 것입니다. 이 연구 결과는 자동차 및 기타 산업 분야에서 고성능 경량 부품의 대량 생산 가능성을 열어줍니다.

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Copyright Information

  • This content is a summary and analysis based on the paper “Bonding of Cast Iron-Aluminum In Bimetallic Castings By High Pressure Die Casting Process” by “Mengwu Wu, et al.”.
  • Source: https://doi.org/10.1007/s00170-022-08816-x

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