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哪种热喷涂技术更适合制备耐磨涂层?
日期:2022-08-09    浏览次数:
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摩(mo)擦磨(mo)损(sun)造成的(de)能量(liang)和(he)物质(zhi)损(sun)失均(jun)源自材料(liao)表面(mian),因(yin)此(ci),各类表面(mian)工程技(ji)(ji)术已成为提高零构件材料(liao)减(jian)摩(mo)、耐(nai)(nai)磨(mo)性能的(de)重(zhong)要方(fang)法(fa),其中最(zui)(zui)常(chang)见的(de)应(ying)(ying)用(yong)(yong)便是(shi)耐(nai)(nai)磨(mo)涂(tu)(tu)层(ceng)。市场上制备材料(liao)表面(mian)涂(tu)(tu)层(ceng)的(de)方(fang)法(fa)较多,包(bao)括热(re)喷(pen)涂(tu)(tu)、化学(xue)气相(xiang)沉积(CVD)、物理气相(xiang)沉积(PVD)、电镀等,热(re)喷(pen)涂(tu)(tu)技(ji)(ji)术是(shi)应(ying)(ying)用(yong)(yong)最(zui)(zui)广泛的(de)表面(mian)工程技(ji)(ji)术之—,在航空发动机、重(zhong)型燃气轮(lun)机等高端(duan)装备的(de)科研(yan)和(he)生(sheng)产中有着不可替代(dai)的(de)作用(yong)(yong)。

减(jian)摩耐磨(mo)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)是热(re)喷(pen)涂(tu)(tu)(tu)技术的重(zhong)要(yao)应用领域,以航空发动机为例,机匣气路封(feng)严涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)、级间篦齿耐磨(mo)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)、叶(ye)片榫(sun)头抗微动涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)、叶(ye)尖耐磨(mo)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)、叶(ye)片阻尼台耐磨(mo)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)等(deng)均采用热(re)喷(pen)涂(tu)(tu)(tu)技术制备。因此,国(guo)内(nei)外(wai)研究人员对(dui)热(re)喷(pen)涂(tu)(tu)(tu)技术及其在减(jian)摩耐磨(mo)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)中的应用开发十(shi)分重(zhong)视(shi)。

热喷涂涂层

热喷涂涂层在(zai)航空发动(dong)机上的应用

什么是热(re)喷涂(tu)?

热喷涂技术(shu)是利(li)用热源将(jiang)粉末(mo)、丝材(cai)(cai)、棒材(cai)(cai)等(deng)原材(cai)(cai)料加(jia)热到熔(rong)融(rong)、半(ban)熔(rong)融(rong)或塑性软化状态,同时通过高速(su)气(qi)流将(jiang)其(qi)加(jia)速(su)喷射撞击到经过预处理(li)的工件表面,形(xing)成(cheng)具(ju)有(you)特(te)定功能(neng)的涂层。与其(qi)他表面工程(cheng)技术(shu)相(xiang)比,热喷涂(tu)技术易于实现以高沉(chen)积(ji)速(su)率完(wan)成大(da)面积(ji)涂(tu)层(ceng)的生产,且喷(pen)涂(tu)过程可借助(zhu)机(ji)器(qi)人实现自动化,有利于保(bao)证批(pi)量生(sheng)产(chan)中涂(tu)层的生(sheng)产(chan)效率(lv)和质量稳(wen)定。

热喷涂技术原理

热喷涂(tu)技(ji)术原理

热喷涂(tu)技术的局限(xian)性小,对零件基材状态、预处(chu)理没有过高(gao)的要求,而且喷涂(tu)原料范围广,涵盖金(jin)属、合金(jin)、陶瓷、金(jin)属-陶瓷、高分子材料等。因(yin)此,热喷涂技术(shu)在航(hang)空航(hang)天、石油化工、电子电气、汽(qi)车、医(yi)疗、海洋、矿(kuang)业等领(ling)域(yu)得(de)到了越来越多(duo)的应用。

常见热喷涂材料及应用 

常见热(re)喷(pen)涂(tu)材料(liao)及应用

影响热喷(pen)涂涂层(ceng)性能的主(zhu)要因(yin)素(su)是(shi)原料在喷涂焰流中(zhong)的熔(rong)融状态(温(wen)度)飞(fei)行(xing)速度(微粒的动能)。在大气等离子喷(pen)涂之后出现的各(ge)种热(re)喷(pen)涂技术,无一(yi)不是通过提高(gao)微粒温度或速度来(lai)获(huo)得性能优异的涂(tu)层(ceng)。此(ci)外,由于等(deng)离子(zi)喷(pen)涂(tu)、爆炸喷(pen)涂(tu)等(deng)技术无(wu)法使用纳米(mi)粉体(ti)进料(liao),在制(zhi)备纳米(mi)结构涂(tu)层(ceng)时只能通过造粒(li)将(jiang)其制(zhi)为微米(mi)级粉体(ti)用于喷(pen)涂(tu),喷(pen)涂(tu)工艺(yi)和(he)涂(tu)层(ceng)性能均受(shou)到限制(zhi)。因此(ci),研究人员还(hai)开发了悬浮液等(deng)离子(zi)喷(pen)涂(tu)(SSPS),以便(bian)获(huo)得特(te)定组织(zhi)的纳米(mi)结构涂(tu)层(ceng)。

几种常见热喷(pen)涂(tu)技术在耐磨涂(tu)层应用中的差异

1.大(da)气等离子喷(pen)涂

大气等离(li)子喷(pen)涂(APS)是应(ying)用(yong)最早、最广的一种热(re)喷(pen)涂技术,整个喷(pen)涂过程在(zai)大气环境下(xia)进行。APS通常利用(yong)Ar、N2和He作(zuo)(zuo)为工作(zuo)(zuo)介(jie)质,其核心部件是等(deng)离(li)子喷枪,工作(zuo)(zuo)原理是在(zai)阳极和阴(yin)极之间通入(ru)上述工作(zuo)(zuo)气体作(zuo)(zuo)为介(jie)质,使其电离(li)并(bing)产生等(deng)离(li)子弧,通过等(deng)离(li)子弧的作(zuo)(zuo)用进一步将(jiang)喷涂材(cai)料加热(re)至熔融或半熔融状态后进行喷涂。

大气等离子喷涂

大气(qi)等离(li)子喷涂

APS制备的涂层因(yin)具有较高(gao)的结合强度等特点而成(cheng)为(wei)摩擦学界研究(jiu)(jiu)的(de)热点,具有较(jiao)高(gao)的(de)温度,但(dan)其喷(pen)涂过程中微(wei)(wei)粒(li)的(de)飞行(xing)速(su)度较(jiao)低(约300 m/s),导致微(wei)(wei)粒(li)在(zai)焰流中易(yi)出现氧化、分解或(huo)过热等问(wen)题,难以满(man)足(zu)较(jiao)高(gao)的(de)工况要求。因此,研究(jiu)(jiu)人员在(zai)其基(ji)础上(shang)研究(jiu)(jiu)出微(wei)(wei)粒(li)飞行(xing)速(su)度更高(gao)的(de)超(chao)音速(su)等离(li)子喷(pen)涂。

2.超音速等(deng)离子喷涂

超音速(su)等离(li)子(zi)(zi)喷涂(tu)(tu)(SPS)技术是利用等离(li)子(zi)(zi)弧与高速(su)气(qi)流混(hun)合(he)时(shi)出(chu)现的(de)“扩(kuo)展(zhan)弧”可以(yi)得(de)到稳定(ding)聚集的(de)超音速(su)等离(li)子(zi)(zi)射(she)流,相(xiang)比于大气(qi)等离(li)子(zi)(zi)喷涂(tu)(tu),微粒飞(fei)行速度,微粒以更大(da)的(de)动能撞(zhuang)击(ji)基体(ti),有利于(yu)产生(sheng)更强烈的(de)钉扎作用和更好的(de)铺展,涂(tu)层致密度和结合强度也就更高(gao)。

采用SPS技术制备出的涂层(ceng)具(ju)有致密(mi)的(de)层状(zhuang)结构、较高的(de)粘接强(qiang)度等优(you)异性能,它不仅适用(yong)于制备(bei)高熔点(dian)陶瓷(ci)涂(tu)(tu)层,还(hai)适用(yong)于制备(bei)金属(shu)-陶瓷(ci)复合涂(tu)(tu)层和(he)常规金属(shu)涂(tu)(tu)层。目前(qian),SPS已(yi)经成为较(jiao)前(qian)沿的(de)热喷涂(tu)(tu)技术,并得到市场认可。

超音速等离子喷涂

超音(yin)速等离(li)子喷(pen)涂

一个(ge)比较典型的(de)应用是(shi)热喷涂(tu)(tu)(tu)Mo涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)(ceng),Mo具(ju)有(you)高(gao)(gao)熔点(2620℃)、高(gao)(gao)硬(ying)度(du)(du)、高(gao)(gao)强度(du)(du)、抗高(gao)(gao)温粘结等优点,热喷涂(tu)(tu)(tu)Mo涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)(ceng)作(zuo)为(wei)耐(nai)磨(mo)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)(ceng)被广泛应用于材料表面强化或尺寸修复,Mo也可以作(zuo)为(wei)热喷涂(tu)(tu)(tu)耐(nai)磨(mo)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)(ceng)的(de)增(zeng)强相。由于Mo熔点高(gao)(gao),以往主要采用APS制(zhi)备(bei),但APS钼涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)(ceng)易出现的(de)孔隙(xi)降(jiang)低了(le)它的(de)硬(ying)度(du)(du)和耐(nai)磨(mo)性。不过SPS技术虽可制(zhi)备(bei)出结构致密且结合(he)强度(du)(du)高(gao)(gao)的(de)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)(ceng),但是(shi)在(zai)喷涂(tu)(tu)(tu)过程中仍存(cun)在(zai)碳(tan)化(hua)物脱碳(tan)、粉末(mo)氧(yang)化(hua)等(deng)问题。

3.超音速空气燃料喷涂

超(chao)音速空气燃(ran)料喷涂(HVAF)是在超(chao)音速火(huo)焰(yan)喷涂(HVOF)技(ji)术(shu)(shu)的基础上发展起(qi)来的,两(liang)种喷涂技(ji)术(shu)(shu)的主要不(bu)同点是HVAF采用压缩空气(qi)为燃(ran)料代(dai)替氧气(qi),两者(zhe)在火焰温度(du)和粒(li)子(zi)飞行速度(du)方面也都有(you)一定差(cha)异(yi)。

超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂

(超音速(su)空气燃(ran)料喷涂是将氧气替换为压缩(suo)空气)

HVOF被广(guang)泛用于金属-陶瓷耐磨涂层的制备,包括WC-Co、WC-Co-Cr、NiCr-CrgCz等涂(tu)层(ceng);但是(shi)HVOF工艺中(zhong),碳(tan)化(hua)物(wu)在喷涂(tu)焰流(liu)中(zhong)易发生脱碳(tan)而生成脆性相,极大地影响了涂(tu)层(ceng)的耐磨性。

HVAF工艺(yi)火(huo)焰(yan)温度较低(低于(yu)2000°C),但粒子(zi)喷(pen)射速度更高(gao),较低的(de)火(huo)焰(yan)温度改善了原始粉末的(de)过熔和过度氧(yang)化的(de)问(wen)题,涂层中氧(yang)化物(wu)含(han)量明显减少,也(ye)有(you)利(li)于(yu)抑制喷(pen)涂原料中纳米(mi)微粒在(zai)喷(pen)涂过程(cheng)中的(de)长(zhang)大(da),在(zai)很大(da)程(cheng)度上改善了HVOF技(ji)术导致(zhi)喷(pen)涂原料热退化的(de)现象。因此,相比HVOF技(ji)术,HVAF技(ji)术能以较高(gao)的(de)沉积效率(lv),制备出孔隙率(lv)低、与基(ji)体结(jie)合强度高(gao)的(de)涂层。

HVAF较低的(de)焰流温度有助于进一步抑制(zhi)喷涂过程中非晶材料的(de)过热和(he)结晶,在制(zhi)备铁基非晶涂层方面有着明(ming)显的优势。铁基非(fei)晶材(cai)料具有低(di)成本、高强(qiang)度、高耐磨(mo)性等优点,并且热(re)喷涂过程中熔(rong)融粒子冷凝速(su)度极高,利于非(fei)晶的形成,所以热(re)喷涂铁基非(fei)晶涂层是硬质(zhi)耐磨(mo)涂层的研究(jiu)热(re)点。

4.爆(bao)炸喷(pen)涂

爆(bao)炸喷涂(tu)(tu)技术的原(yuan)理是利用气体爆(bao)炸后产生的能(neng)量(liang)将粉(fen)末(mo)原(yuan)料加(jia)热熔化,使其以(yi)极高速度沉积在(zai)工件表(biao)面,形成坚(jian)固的涂(tu)(tu)层。该(gai)技术在(zai)航空发动机等关键零(ling)部件修复和(he)耐(nai)磨防护中表(biao)现出无(wu)法替(ti)代(dai)的优势,受到世界范围的研究和(he)重视,已成为生产高质量(liang)耐(nai)磨涂(tu)(tu)层最(zui)有效的技术。

爆炸喷涂

爆炸喷(pen)涂(tu)

爆炸(zha)喷涂也特备适合(he)制备多(duo)相复合涂层,例如用于弹性(xing)箔片(pian)气(qi)体(ti)轴(zhou)承启停阶段的润滑防护(hu)的宽温域固体(ti)润滑涂(tu)层(ceng)NiCr-Cr2O3-Ag-BaF2/CaF2涂层(PS304),其中金(jin)属粘接相(xiang)、润(run)滑(hua)相(xiang)(软金(jin)属Ag、氟化(hua)物共(gong)晶)、陶瓷耐磨相(xiang)之间理化(hua)性能差别大,采用爆炸喷(pen)涂的结(jie)合(he)强(qiang)度高于APS、HVOF所制(zhi)备的该涂层,同(tong)时相(xiang)比于HVOF,爆炸喷(pen)涂可以沉积更多的BaF2/CaF2

由于爆炸(zha)喷(pen)涂(tu)是脉冲(chong)式进行的(de),基(ji)体受(shou)热时(shi)间短,碳化物(wu)粉(fen)末原料(liao)发生氧(yang)化、脱碳现象的(de)程度较其他热喷(pen)涂(tu)技术(shu)低,因而可以保(bao)证涂(tu)层组织与粉(fen)末成分的(de)一致性,这一特点也使其在沉积易分(fen)解材料(liao)方面具(ju)有一定优势。

5.超(chao)低压等(deng)离子喷涂(tu)

超低(di)压(ya)等离子(zi)喷(pen)(pen)涂技术(VLPPS)是在(zai)低(di)压(ya)/真(zhen)(zhen)空(kong)等离子(zi)喷(pen)(pen)涂(LPPS)技术的基础上,通(tong)过熔化液滴在(zai)进一步(bu)降低(di)压(ya)力的真(zhen)(zhen)空(kong)室中,同时大幅(fu)提高等离子(zi)喷(pen)(pen)枪(qiang)(qiang)功率,将粉(fen)未加(jia)热、加(jia)速(su),并达到一定比(bi)例的气化,最终沉积形成(cheng)涂层。LPPS在(zai)5000 ~20000Pa下进行(xing),而VLPPS是在(zai)小于100Pa的低(di)压(ya)室中应用(yong)100 kW以(yi)上大功率等离子(zi)喷(pen)(pen)枪(qiang)(qiang)进行(xing)喷(pen)(pen)涂。

低压等离子喷涂

低压等离子(zi)喷涂(tu)

(超低(di)(di)压是(shi)采(cai)用更低(di)(di)的(de)真空室压力)

传统的热喷涂(tu)技术(shu)主(zhu)要用于(yu)(yu)制(zhi)备厚度(du)超过(guo)100um的涂(tu)层,由于(yu)(yu)VLPPS的焰(yan)流(liu)温度(du)和速(su)度(du)分布(bu)比LPPS更均匀(yun),且(qie)覆盖面(mian)积大(da),且(qie)等离(li)子体焰(yan)流(liu)及喷射距离(li)较长(zhang),适用于(yu)(yu)快速(su)制(zhi)备大(da)面(mian)积、致密均匀(yun)的薄(bo)涂(tu)层,可填补在大(da)型(xing)基材上制(zhi)备厚度(du)为5~100um涂(tu)层(ceng)技术的空(kong)白(bai)。VLPPS涂(tu)层(ceng)的微(wei)观形貌既(ji)可以呈现(xian)出(chu)层(ceng)状结构(类似(si)于APS和LPPS涂(tu)层(ceng)),也可以呈现(xian)出(chu)柱状结构(类似(si)于PVD或(huo)CVD涂(tu)层(ceng))。

目(mu)前,VLPPS作为(wei)一项前沿的热喷涂(tu)技术多被用于制(zhi)备热障涂(tu)层,研(yan)(yan)究(jiu)人员(yuan)主要研(yan)(yan)究(jiu)其(qi)抗氧化性(xing)能,应用该(gai)技术制(zhi)备减摩耐磨涂(tu)层的相关研(yan)(yan)究(jiu)较少。

热障涂层

热障涂层

6.悬浮液等离子喷涂(tu)

纳(na)米结构有利于提高涂层韧性、耐磨性等(deng)方面(mian),但(dan)由于纳(na)米颗(ke)粒的(de)粒径小(xiao)、质量(liang)小(xiao),传(chuan)统的(de)热喷(pen)涂过(guo)程(cheng)中无(wu)法在常规条件下直接注(zhu)入纳(na)米粉(fen)(fen)末(mo)原料,从而出现粉(fen)(fen)末(mo)团聚(ju),堵塞进粉(fen)(fen)系统等(deng)问(wen)题(ti)。此外(wai)纳(na)米粉(fen)(fen)末(mo)由于热能较高,在喷(pen)涂过(guo)程(cheng)中会迅速(su)分解。悬浮(fu)液(ye)等(deng)离子喷(pen)涂(SSPS)技术的(de)出现解决了这(zhei)一(yi)问(wen)题(ti),它的(de)核(he)心(xin)原理(li)是将原始粉(fen)(fen)末(mo)和水或有机(ji)溶剂(ji)混合(he)在一(yi)起形成悬浮(fu)液(ye),主要用于纳米涂(tu)层的制备,应用此方法制备(bei)纳米涂层时可(ke)在(zai)很大程度上避(bi)免出现粉末团聚、堵塞进粉系(xi)统等(deng)问题。

悬浮液等离子喷涂中悬浮液液滴变化

悬浮液等离子喷涂(tu)中悬浮液液滴变化(hua)

由于粒子在注入(ru)等离(li)子射流(liu)之前就(jiu)为液(ye)态(tai),焰(yan)流(liu)密(mi)度较高,因此(ci)SSPS中等离(li)子体(ti)(ti)流(liu)向(xiang)基体(ti)(ti)的热流(liu)密(mi)度比常规APS在相(xiang)同功率水(shui)平下的热流(liu)密(mi)度要高一个数量级,可以制备(bei)传统喷涂技术(shu)不(bu)能制备(bei)的涂层,如直接将APS工艺(yi)无法喷涂的(de)颗粒(如SiC)掺入陶瓷(ci)基体(ti)(ti)中。

7.高速电弧喷(pen)涂

电弧(hu)喷涂(tu)技术主要(yao)应用(yong)于防护涂(tu)层中,其原理(li)是应用(yong)2根连(lian)续且(qie)均匀送进(jin)的(de)金(jin)属(shu)(shu)丝短接产生(sheng)电弧(hu),并(bing)以此(ci)熔(rong)(rong)化(hua)金(jin)属(shu)(shu)丝,外加(jia)压缩空(kong)气使熔(rong)(rong)融(rong)(rong)颗(ke)粒雾化(hua)并(bing)且(qie)加(jia)速(su),熔(rong)(rong)融(rong)(rong)的(de)液滴撞击(ji)经过预(yu)处(chu)理(li)的(de)基材表面发(fa)生(sheng)变(bian)形、展平,并(bing)快速(su)凝固、沉积,逐渐形成(cheng)涂(tu)层。

早期(qi)的(de)(de)(de)电弧(hu)(hu)喷涂(tu)(tu)(tu)技术制(zhi)备的(de)(de)(de)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)存在孔(kong)隙率较(jiao)大、与基体(ti)的(de)(de)(de)结合强度(du)较(jiao)低等问(wen)题,因此,研究人员在普(pu)通电弧(hu)(hu)喷涂(tu)(tu)(tu)技术的(de)(de)(de)基础上研究出高(gao)速(su)(su)电弧(hu)(hu)喷涂(tu)(tu)(tu)技术(HVAS)。HVAS对喷枪部分进行(xing)了(le)(le)优化(hua),在一(yi)定(ding)程度(du)上提(ti)高(gao)了(le)(le)雾化(hua)气体(ti)压力(li)和流速(su)(su),缩短了(le)(le)粒子(zi)飞(fei)行(xing)时间,降低了(le)(le)粒子(zi)被氧化(hua)的(de)(de)(de)程度(du),提(ti)高(gao)了(le)(le)粒子(zi)变形(xing)与合金化(hua)程度(du),从而(er)改善了(le)(le)涂(tu)(tu)(tu)层(ceng)的(de)(de)(de)微观(guan)结构。相比普(pu)通的(de)(de)(de)电弧(hu)(hu)喷涂(tu)(tu)(tu),HVAS具有较高的电(dian)弧稳定性、沉(chen)积(ji)效率(lv)以及(ji)涂层组织致密程度

哪种热喷涂技术更适合制备耐磨涂层?

总结

不同的(de)(de)热(re)喷(pen)涂工(gong)艺(yi)(yi)和(he)涂层适(shi)用于不同的(de)(de)工(gong)况,需(xu)选(xuan)择合适(shi)的(de)(de)涂层材(cai)料以及相应的(de)(de)热(re)喷(pen)涂工(gong)艺(yi)(yi)才能(neng)制备(bei)适(shi)应工(gong)况要求的(de)(de)减摩耐磨涂层,依据(ju)上述(shu)技术特点总结(jie)如下:

不同(tong)热喷涂(tu)耐磨涂(tu)层的应用领域

哪种热喷涂技术更适合制备耐磨涂层?

不同热(re)喷涂工艺的(de)优缺点及适用(yong)情况

哪种热喷涂技术更适合制备耐磨涂层?

基于工业与科技的(de)(de)(de)快速发展,机械设备的(de)(de)(de)工况要求越(yue)(yue)来越(yue)(yue)高,需要研制出性能更加(jia)优(you)异的(de)(de)(de)减摩耐磨涂层。一方面,可从涂层材(cai)料的(de)(de)(de)组分入手,设计出具有高强度、硬度或具有自润滑功能的(de)(de)新(xin)材料体(ti)系,如在硬质的(de)(de)陶瓷涂层(ceng)或金属(shu)-陶瓷涂层(ceng)中添加具有(you)自(zi)润(run)滑作用的(de)(de)润(run)滑相(如石(shi)墨(mo)、二(er)硫化(hua)钼、高分子材料等),提(ti)高涂层(ceng)的(de)(de)减(jian)摩性能;另(ling)一方面(mian),可(ke)从优(you)化(hua)热喷涂工艺入手,研究不同(tong)体(ti)系涂层(ceng)的(de)(de)最佳工艺参数,为后续的(de)(de)研究工作奠定基础。除(chu)上述两方面(mian)外(wai),还需在提(ti)高涂层(ceng)质量的(de)(de)同(tong)时降低(di)成本,才能更好(hao)地令该技术应用在实际生产中。


参考(kao)来(lai)源:

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2. 热(re)喷(pen)涂技术(shu)(shu)应(ying)用(yong)及(ji)研究(jiu)进(jin)展与挑战,李长久(热(re)喷(pen)涂技术(shu)(shu));

3. 等离子(zi)喷涂陶瓷耐磨(mo)涂层的研究(jiu)进展(zhan),安家财(cai)、杜三(san)明、肖(xiao)宏滨、张永(yong)振(热加工工艺);

4. 热喷(pen)涂技术的(de)装备应(ying)用现状及(ji)发展前景,陈永(yong)雄、罗政刚(gang)、梁秀(xiu)兵、胡振峰、黄昊(中国表面工程)。


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