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激光发展与现状
2018届机械工程及自动化专业毕业生论文(设计)
课题名称:
激光表面处理技术现状及发展
学生姓名:
张成名
指导教师:
孙明
江南大学网络教育学院
2018年1月
摘要:
激光具有巨大的技术潜力,在冶金和材料加工中发展迅速,应用广泛。
激光表面处理由于其对工业和生产作出了巨大贡献,已成为飞速成长的重要加工技术领域。
另外,应用激光对材料表面实施处理也是一门新技术。
论文简述了激光表面改性的研究和发展现状,特别是激光表面淬火、激光熔凝、激光表面合金化合、激光熔覆等四种技术,以及对各项技术的原理、特点和国内外研究现状分别加以描述。
最后,还简述了激光表面改性技术存在问题和发展前景。
关键字:
激光;表面处理;应用;
Abstract:
laserhasgreattechnologicalpotentialandhasbeendevelopingrapidlyinmetallurgyandmaterialprocessing.Lasersurfacetreatmenthasbecomeanimportantareaofrapidlygrowingprocessingtechnologyduetoitsgreatcontributiontoindustryandproduction.Inaddition,theapplicationoflasertomaterialsurfaceisalsoanewtechnology.Paperbrieflydescribesthepresentsituationofresearchanddevelopmentoflasersurfacemodification,especiallythelasersurfacehardening,laserfused,lasersurfacealloyingcombined,fourkindsoftechnologiessuchaslasercladding,andtheprincipleofthetechnology,characteristicsandresearchstatusathomeandabroadaredescribedrespectively.Finally,theproblemsandprospectoflasersurfacemodificationarealsointroduced.
Keywords:
laser;Surfacetreatment;Application;
目录
摘要
第一章:
绪论
一、选题目的及意义.
二、拟解决的主要问题或创新之处
第二章:
激光表面处理技术的原理及特点
一、激光表面处理技术的特点
二、激光表面相变应化(LTH)
三、激光表面熔化(LSM)
四、激光表面合金化(LSA)
五、激光表面冲击硬化(LSH)
六、激光表面熔覆
七、激光施袖
八、激光退火
九、激光气相沉积
十、激光表面处理过程中的残余应力
第三章:
激光表面处理技术、应用及其国内外发展现状
一、激光淬火
二、激光表面熔凝
三、激光表面合金化
四、激光表面熔敷
五、激光冲击硬化
六、气相沉淀
第四章:
激光表面改进技术术存在问题和前景展望
一、存在问题
二、前景展望
参考文献
第一章绪论
一、选题目的及意义.
激光的出现时近代物理学的一个重大进展。
第一台激光器于60年代初问世,对激光表面热处理工艺的研究早在激光器诞生后不久就已经开始,但直到60年代末、70年代初才在热处理生产中获得应用。
激光在金属热处理方面取得成功,标志此技术的应用进人了新灼阶段。
随着大功率激光器的研制成功与不断完善,这一新工艺用于汽车转向器表面处理的生产线[1]。
国内经过“六五”计划的联合攻关,已在汽缸套等零部件的表面热处理上获得成功,取得了一批科研成果。
随之而发展的表面涂覆(cladding),表面上釉(Glazing)及表面合金化(SurfaeeAlloing)等工艺也取得了相当大的进展。
与上述工艺相比较,激光表面热处理是当前比较成熟、应用比较广泛的工艺[2]。
材料表面处理有许多种方法,应用激光对材料表面实施处理则是一门新技术。
激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代,但是直到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后,激光表面处理技术才获得实际的应用,并在近十年内得到迅速的发展。
激光表面处理技术,是在材料表面形成一定厚度的处理层,可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能,从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能,以满足各种不同的使用要求。
实践证明,激光表面处理已因其本身固有的优点而成为发展迅速、有前途的表面处理方法。
二、拟解决的主要问题或创新之处
1.研制出性能稳定可靠、成本低的大功率激光设备;
提高设备的配套化和自动化程度,以更好地实现精确的温度控制;
扩大激光表面处理技术的应用范围;
推动宽带扫描技术的发展,以解决窄带扫描搭接带软化问题;
进一步提高生产率,促进激光表面处理技术的普遍应用。
2.加强对激光表面处理技术改性机理的研究,解决好温度场测定不够精确的间题,加强相关测试技术的研究,并从理论上加强对某些激光表面处理技术产生表面残余拉应力和裂纹的机理研究,提出具体解决措施。
3.系统地研究激光表面处理工艺参数、材料性能、表面状况(吸光率)等对处理后表面层性能的影响,掌握最佳工艺参数组合,发展成形工艺。
第二章激光表面处理技术的原理及特点
一、激光表面处理技术的特点[3]
激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波,激光束由一系列反射镜和透镜来控制,可以聚焦成直径很小的光(直径只有0.1mm),从而可以获得极高的功率密度(104~109W/cm2)。
激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段:
吸收光束、能量传递、金属组织的改变、激光作用的冷却等。
它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。
随着大功率激光器出现,以及激光束调制、瞄准等技术的发展,激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域,并在近年得到迅速发展。
激光表面处理采用大功率密度的激光束、以非接触性的方式加热材料表面,借助于材料表面本身传导冷却,来实现其表面改性的工艺方法。
它在材料加工中具有许多优点是其他表面处理技术所难以比拟的:
1、通过选择激光波长调节激光功率等手段,能灵活地对复杂
形状工件或工件局部部位实施非接触性急热、急冷。
该技术易控制处理范围,热影响区小,工件产生的残余应力及变形很小。
2、可在大气、真空及各种气氛中处理,制约条件少,且不造成
化学污染。
3、通常,激光表面处理的改性效果比普通处理方法更显著
4、激光束能量集中,密度大,速度快,效率高,成本低。
5、可缩短工艺流程,处理过程中工件可以运动,故特别适合组织自动化处理线。
6、激光束便于通过导光系统准确地输人与定位,亦能导向多个工作台,可大大提高激光的使用率和处理的效率。
7、激光表面处理尤其适用于大批量处理生产线,其成本比传统的表面热处理低。
8、由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全,因此要致力于发展安全设施。
二、激光表面相变应化(LTH)
不论激光束是如户J产生的,激光束仅是一加热金属的热源,金属经激光热处理后,一般不出现异常的治全变化。
相变硬化是一种儿乎无尺寸变化而能达到冶金相变的加工技术。
利用激光束可以选择小面积加热和对需要部位硬化。
实现激光相变硬化有三个基本条件仁:
第一,金属硬化区必须达到奥氏体化温度;第二,在加热与冷却周期内硬化区在奥氏体化温度区应保持足够长的时间,以保证碳能充分的扩散;第三,应具有足够大的自身淬火能力,其冷却速度应超过临界冷却速度。
金属经激光相变硬化的冶金变化不同于普通淬火之处有以下几点:
1、激光相变硬化后的硬度高于普通淬火。
其原因一方面由于在很高抑制条件下形成马氏体,另一方面则由于极快的加热和冷却速度使获得变形马氏体[4]。
2、激光相变硬化能力决定于所处理的材料。
一般地说,凡适合于普通淬火的材料也适合于激光相变硬化。
但对低碳钢当其碳含量在0.2%以下时普通淬火一般难于淬硬[5],而激光相变硬化却可以极快冷却速度使其淬硬[5]。
对具有石墨组织的铸铁普通淬火亦不易淬硬,但激光相变硬化也可使其淬硬,尽管在如此短的扩散时间内完成。
3、对于含有分散球状碳化物的钢或含大量石墨不含珠光体的铸铁,由于相变时间太短,激光相变硬化难以使其淬硬。
工具钢和高速钢的激光表面硬化引起许多研究者的兴趣[6]。
Brover[13]用脉冲激光器研究了不同组织的R6MS激光高温快速硬化的可能性.实验证明,不同激光能量水平和加热速度与不同原始组织配合,可以得到不同程度和均匀性的固溶体,从而得到在服役条件下所需要的优化的数值。
Mulin等[14]用l000J的激光器硬化12X18N9T,13N5A砧A和1201工具钢。
激光硬化的工具钢的耐磨性是非硬化工具的20一25倍,是带有氮化钦表面涂层的2一4倍。
三、激光表面熔化(LSM)
(一)激光表面熔化在满足表面某些需要,如耐磨性、耐蚀性、防止氧化等方面显出独特优点。
可用激光表面熔化得到细晶组织、非晶态和亚稳相,低的气孔率和光滑的表面,基体中较小的热影响区以及良好的基体与表面的结合。
(二)光表面熔化施于钢铁常产生硬度很高的表面,可有效提高耐磨性;施于有色金属常可获得十分细而均匀的组织广。
激光熔化高速钢时,先使原始组织迅速熔解,以后冷却时可保留大量己铁素体和奥氏体,可明显地提高硬度.激光熔化铸铁时可在莱氏体区形成细组织涂层激光熔化镍基合金时,则可得到过饱和基体相的细枝晶结构,同时枝晶区域内细MC碳化物质点和共晶组成。
(三)美国NASAMarshen航天中心正致力于提高航天飞机(SSME)许多零件的寿命或修复完成每一次飞行任务之后的零件。
主燃烧室中最关键的部件是其内衬(热壁),它由锻造的NARloy—z制成.该合金在580一760℃的温度范围暴露96h后,可观察到晶界析出物及无析出区,这些都会降低主燃烧室内衬的寿命.一旦析出物形成,除了用熔化方法以外,很难用热处理的方法使其回到固溶体中去.激光上釉是细化锻造NARloy—z的显微组织的一种很有效的方法.用这种方法得到了很细的激光上釉显微组织,第二相均匀分布和错在铜基体中的扩展固溶体,使合金热稳定性和时效硬化得到很大改善。
四、激光表面合金化(LSA)
许多铁合金等较难熔材料在接触激光功率密度达106W/mm2的受热表面时,足以达到107~109K/s的加热速度会发生熔化,其中的各种元素扩散进入零件液态金属的薄层内[7]。
当冷却凝固时将形成固溶体和化合物夕表面发生合金化.最近有些国家对利用含Cr,Ni和Mo的铁基合金进行激光表面合金化的工艺产生极大兴趣,这种方法既可改变金属性能,又可节约材料、降低成本,可用普通碳钢等廉价材料获得表面耐磨、防蚀和抗高温氧化性很高的零件。
用预置石墨粉习通过熔化或熔化后再进行渗碳形成碳化物的表面合金化可明显地提高表面硬度。
阻碍激光表面合金化广泛应用的障碍,除设备投资大、成本高外,就是在材料处理过程中表面易产生气孔、裂纹以及表面平整度的下降.针对后者,研究者根据具体情况加强研究,已经摸索出一些可行的办法[8]。
Ion用实验证明,激光表面合金化是提高低碳钢耐腐蚀性能的一种可行的办法。
他使用的激光器功率为6kw,合金元素为铬,激光合金化层的厚度为0.5mm[9],使耐腐蚀性大大提高。
Mazulnde等用激光使1016低碳钢表面以铬、锰、碳合金化。
结果证实,用激光加工过的材料在销一柱磨损试验中表现出比Stelhte6合金[10]还要好的耐磨性。
作者认为,耐磨性的提高归因于树枝状组织和铬的碳化物,且枝晶越细,耐磨性越好.较低的激光功率和较高的激光一工件相对移动速率可以得到较高耐磨性的合金层。
五、激光表面冲击硬化(LSH)
激光冲击硬化是前苏联学者在70年代初提出的。
利用极高功率密度(大于10sw/cm,)激光束冲击(作用时间为10~85数量级甚至更短)工件表面[11],使表层几微米的薄层迅速被加热汽化。
在极短的时间内,金属蒸气由于受到外部介质的限制而在冲击区形成超高压冲击波(最大10GPa左右)。
随着冲击波向基体内的传递,会在表层产生压应力区,并出现某些微观特性的改变,从而改善了金属的机械性能。
Chan使用名义功率为10GW/cm2,脉冲时间为20~40ns的脉冲Q开关的YAG激光器使铸铁、7075和7475铝合金冲击硬化,冲击振幅为5.6GPa.两种铝合金的疲劳寿命均得到提高.其原因是表面存在残余压应力。
文献[12]作者认为,为了得到表面残余压应力,应对热应力的作用和冲击波的作用加以区分。
试验说明,使用吸收涂层后可以得到表面残余压应力.由于只有冲击波透人材料,该区域受张力变形,但受周围材料的约束,被约束的区域就是一个压应力区。
如果热量进人该区域,膨胀将会导致变形,在冷却时将会产生张应力。
激光冲击硬化可以得到与喷丸相近的残余应力水平,但表面损伤更小,且能得到更大的透入深度。
六、激光表面熔覆
激光熔覆也称激光包覆(见下图所示),
是利用一定功率密度的激光束照射(扫描)被覆金属表层上的外加纯金属或合金[13],使之完全熔化,而基材金属表层微熔,冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层,从而使基材强化的工艺.激光熔覆的熔化主要发生在外加的纯金属或合金中,基材表层微熔的目的是使之与外加金属达封冶金结合,以增强包覆层与基材的结合力,并防止基材元素与包覆元素相互扩散而改变包覆层的成分和性能[13]。
激光熔覆工艺主要有两种:
一种是预置涂层法,是用电镀、真空蒸镀、等离子喷涂、火焰喷涂、粘结等方法将要熔覆的金属粉末事先涂覆在基材表面,然后用激光重熔,这种方法可称为激光涂覆;另一种是同步送料法,即在激光照射过程中,将粉末或条、丝状纯金属或合金连续送入熔池内,其中用气体将粉末以一定角度吹入熔池的方法称为激光喷涂。
激光熔覆与合金化类似。
可根据要求在表面性能差的低成本钢上制成耐磨、耐蚀、耐热、耐冲击等各种高性能表面,来代替昂贵的整体高级合金,以节约贵重金属材料。
包覆层组织细小,一般无气孔和空穴。
将硬质TIC颗粒覆于高速钢表面,通过激光包覆处理得到TIC熔化层,然后进行快速淬火。
这样获得的表面包覆有极高硬度HV2100一2700,最高可达HV3100[14]。
高速钢激光包覆的寿命为普通热处理钢的8.4倍[15],最高达11.2倍。
可以预料,这种处理方法将广泛用于加工难切削材料的刀具。
较常采用的激光包覆与基体的组合形式有如下儿种上:
不锈钢一软钢;不锈钢-铝;软钢一不锈钢,硬质合金一软钢;硬质合金一黄铜;铁硼一软钢;镍一软钢;铬一钦。
除以上所述外,激光包覆工艺还具有以下独到的优点:
可控制稀释度,减少局部加热时的热变形,精确控制零件外形尺寸,可获得良好热结合性和精细淬火组织。
另外,采用同步送粉法将合金粉末添加进激光熔池,熔覆层稀释率小,界面呈冶金结合状态,工件变形小、加工余量小、熔覆层无气孔和裂纹缺陷,硬度在HRC20—60可选,熔覆层耐磨抗蚀性能优异,适合各类复杂形状零件的熔覆或再制。
不同模式激光光斑熔覆工艺对照图
目前应用领域:
目前应用于电力、石油、化工、船舶、舰艇、机车等行业,熔覆或再制造后的产品质量稳定可靠,取得了良好的经济和社会效应。
七、激光施袖
激光上釉是利用激光束熔化金属表面后再以106℃/s的冷速进行快速淬火和凝固夕使合金元素和碳的扩散受到抑制.这样一来,高温相随着其溶解度极限被保留到室温,得到过饱和固溶体.然后再重新加热进行弥散硬化处理。
此亚稳相的热处理使金属的硬度和强度进一步提高.激光施釉的快速冷却提供了许多有用的冶金结构,如非晶态组织,即金属玻璃。
“施釉”一词即由此而来.激光施釉层常包括非晶层与结晶层,结晶层内主要为枝晶区,内与基体相连,非晶层为表面层。
激光施釉结合火焰喷涂、离子喷涂、离子沉积等沉积技术在控制组织、提高表面抗蚀、耐磨和性能方面日益显示出广阔的应用前景。
冷态工具钢(50CrNi3,X1CrMOV12)、热态工具钢(NICrMoV,X32CrMoV33)和高速钢先进行离子涂WC一Co,然后激光施釉可显著提高硬度。
电子材料、磁性材料和其它一些电气材料用激光施釉后用于检验仪表上极为理想[15]。
八、激光退火
激光退火有两类:
一类是激光诱导表面熔化,通常称“激光退火”;另一类是用激光束进行局部软化退火。
激光退火常应用于半导体,可消除硅中离子注入所产生的严重膨胀损伤,如对石墨带加热器已应用激光退火,可在Si层上形成SiO2层。
氧化物层通过别中氧离子注入形成。
离子注入后表面Si层是高无序的,但尚不是非晶态,高温(1200℃)退火将保持此Si层的晶性[16]。
曾对冷加工金属(CuNi4,SMnZ,SA14,CuNi78Z:
,卫。
,X12CrNi3和低碳钢)和时效硬化材料(AIMgsiZ)的局部软化进行了研究。
变形冷加工金属被加热至某一不熔化或熔化温度时,会发生局部再结晶而降低硬度.可以预料,对整体材料的激光退火将会逐渐被应用到材料加工制造工业上。
九、激光气相沉积
激光气相沉积可分为激光物理气相沉积和激光化学气相沉积,可以在基板上形成各种性能的薄膜,成膜速度快,质量好。
如用激光物理气相沉积可以形成各种氧化物、氮化物的陶瓷镀膜和氧化物高温超导膜;用激光化学气相沉积可合成金刚石薄膜和非晶态硅。
日·本已用激光化学气相沉积法生长出五氧化担薄膜,该薄膜具有极高的耐蚀性[17]。
将分子束外延法和准分子激光技术结合起来,可以一层层地控制氧化物薄膜的形成过程。
日本利用该技术已在Si上形成30层共90×10—10m厚的极薄氧化柿膜,一层厚约3×10—10m。
目前,激光气相沉积技术的研究和应用正在蓬勃兴起。
十、激光表面处理过程中的残余应力
激光表面处理可引起残余应力,但也可以降低或消除已产生的残余应力。
残余应力常是由未发生熔化的激光相变硬化诱导出来的,其特征为表面处理层上出现压应力,下方的加热层出现拉应力.通常后者较强而且十分危险,它可导致裂纹.以45钢为例[18],由激相变诱出的残余应力通常从压应力200MPa变化至260MPa,拉应力从300MPa变化至850MPa[19]在中碳钢中激光相变硬化产生的残余应力比在合金钢中的效果好.经多次激光处理反复出现软化和表面拉应力的情况,是不理想的。
对马氏体钢用Co基或Ni基粉末进行包层时所诱出的残余应力在包层中为拉应力,基体中为压应力.在包层表面可出观285MPa的高表面残余拉应力[20]。
通常皆采用高频加热、电阻加热、放热式混合加热等方法来降低残余应力。
但是这些方法的作用过程都比较慢,所以现已采用高强烈度的激光加热来降低残余应力。
显然,通过快速供热和结构转变可产生热静力学波,当入射能量强度是足够高能熔化金属时,可有效消除表面应力.热弹性波可使动应力松驰,当在表面层出现时,也能导致应力消除。
第三章 激光表面处理技术、应用及其国内外发展现状
一、激光淬火
应用激光将金属材料表面加热到相变点以上,随着材料自身冷却,奥氏体转变成马氏体,使材料表面硬化,同时硬化层内残留有相当大的压应力,从而增加了表面的疲劳强度。
利用这一特点对零件表面实施激光淬火,则可以大大提高材料的耐磨性和抗疲劳性能。
最新研究成果表明,如果在工件承受压力的情况下实施激光表面淬火,淬火后撤去外力,则可以进一步增大残留的压应力,并可大幅度提高工件的抗压和抗疲劳强度。
由于激光表面淬火速度快,进入工件材料内部的热量少,由此带来热变形少(变形量为高频淬火的1/3~1/10)。
因此,可以减少后道工序(矫正或磨制)的工作量,降低工件的制造成本。
此外该工艺为自冷却方式,无需淬火液,是一种清洁卫生的热处理方法;而且便于用同一激光加工系统实现符合加工。
因此可直接
将激光淬火供需安排在生产线上,以实现自动化生产。
又由于该工艺为非接触式,因此可用于窄小的沟槽和底面的表面淬火。
激光淬火由于以上优点而得到较为广泛的应用。
发动机缸体表面淬火,可使缸体耐磨性提高3倍以上;热轧钢板剪切机刃口淬火,与同等未处理的刃口相比寿命提高了一倍左右;而且激光表面淬火还应用在机床导轨淬火、齿轮齿面淬火、发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火以及各种工具刃口激光淬火。
美国通用汽车公司自1974年首次将CO2激光器用于激光淬火以来,先后建立了17条激光热处理生产线,每日可处理零件3万件。
该公司对易磨损的汽车转向器齿轮向内表面用激光处理出五条耐磨带,克服了磨损问题,且基本无变形。
德国MANB&W公司对40/54和L58/64型船用柴油机气缸套内壁进行激光淬火;日本对45钢、铬钼钢、铸铁等材料的激光淬火;美国Coberent公司用500W激光器对铸铁机床导轨进行淬火取得了较好的效果。
我国也在积极进行激光淬火的研究和应用实践,天津渤海无线电厂采用美国820型1.5kW横流CO2激光器对硅钢片模具进行表面淬火,大大提高了耐磨性,使用寿命提高了10倍。
青岛激光技工中心采用了HJ-3千瓦级横流CO2激光器,对柴油机气缸孔进行表面淬火后,而取代了硼缸套,耐磨效果优良,配副性优良,经济效益显著。
目前,在激光热处理方向的研究,大多数进行温度、相变的简单计算,对相变后的相变组织分布、材料性能对温度场的相互影响却很少考虑。
随着计算机的发展及计算方法的不断完善,激光热处理理论正向预测淬火材料性能、硬化层深度的方向发展。
实例应用:
激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。
适用材料为中、高碳钢,铸铁。
激光淬火的应用实例:
激光淬火强化的铸铁发动机汽缸移动图册,其硬度提高HB230提高到HB680,使用寿命提高2~3倍。
齿轮激光淬火技术
齿轮是机械制造行业中应用广泛的零件.为了提高齿轮的承载能力,需对齿轮进行表面硬化处理.而传统的齿轮硬化处理工艺,如渗碳、氮化等表面化学处理和感应表面淬火、火焰表面淬火等存在两个主要问题:
即热处理后变形较大和不易获得沿齿廓均匀分布的硬化层,从而影响齿轮的使用寿命
二、激光表面熔凝
激光表面熔凝是采用近于聚焦的激光束照射,是材料表面层熔化,然后依靠自身冷却快速凝固。
熔凝层中形成的铸态组织非常细密,能使性能得到改善,可以增强材料表层的耐磨性和耐蚀性。
激光表面熔凝技术基本上不受材料种类的限制,可获得较深(可达2~3mm以上)的高性能敷层,易实现局部处理,对基体的组织、性能尺寸影响很小,而且工艺操作方便。
应用激光表面熔凝技术,在可锻铸铁的摩托车凸轮轴表面获得了熔层厚0.2mm,硬化层厚0.7mm,宽3.4~3.6mm,表面硬度为895HV的耐磨性很高的熔凝层。
对耐磨铸铁活塞环进行处理后,寿命提高一倍,且与气缸的匹配效果良好。
对珠光体+铁素体基的铸铁梳棉机梳板进行处理后,明显提高了耐磨性和抗崩裂性,且保持了低的表面粗糙度。
国外对Al-8Fe(Al含量为1%)合金进行激光熔凝硬化处理后的熔区枝晶进行微观计算机模拟及测量,得出了枝晶细胞头部半与凝固速度的关系式和凝固速度对枝晶分布的影响规律。
利用晶体生长的最小过冷度判据,对
单晶合金激光重熔区组织的生长速度进行分析,建立了枝晶尖端生长速度与激光束扫描速度和固液面前进速度的关系。
根据分析,发现激光熔池中枝晶组织生长方向强烈地受基材晶粒取向和激光束扫描方向的影响。
三、激光表面合金化
激光表面合金化是一种用激光将合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固,在表面获得合金层的方法。
这种方法既
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