超音速火焰喷涂简介（文字版 无需下载）

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　　1、 超音速火焰喷涂原理

　　用作热喷涂热源的超音速火焰是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气等燃气与高压氧气，或利用如煤油与酒精等液体燃料与高压氧气在特制的燃烧室内，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温高速燃烧焰流，其燃烧焰流速度可达 1500m ∕ s~2000m ∕ s （五马赫）以上。

　　目前，习惯上通常被称作 HVOF(High Velocity Oxy-Fuel 的头文字 ) ，即高速氧燃料火焰喷涂。当火焰达到超音速火焰时，火焰中可以观察到马赫锥的存在。将粉末轴向或测向送进火焰流中，即可以实现粉末粒子的加热与加速、涂层的沉积。由于火焰流的速度极高，喷涂粒子在被加热至熔化或半熔化状态同时，可以被加速到高达 300~650m ∕ s 的速度，从而获得结合强度高、致密的高质量涂层。

　　超音速火焰由于受燃烧焰流温度的限制，与等离子热源相比，速度高而温度低（约为 3000 ℃）、对于 WC-CO 系硬质合金，可以有效地抑制 WC 在喷涂过程中的分解，涂层不仅结合强度高、致密，而且可以最大限度地保留粉末中的硬质耐磨 WC 相，因此，涂层耐磨损性能优越，与爆炸喷涂层相当，大幅度超过等离子喷涂层，也优于电镀硬铬层与喷焊层，目前已获得了广泛的发展。

2、 HVOF 系统的发展状态

　　喷涂方法与设备的发展对于涂层的制备具有重要的影响。超音速火焰喷涂是在八十年代初期，由美国 Browning 公司研制成功，并首先以 JET-KOTE 为商品推出 [1] 。经过多年的应用开发，其优点逐渐被认识和接受。由此，世界上发达国家，投入了大量的财力对 HVOF 进行研究和开发。于八十年代末九十年代初，先后又有数种 HVOF 喷涂系统研制成功，并投入市场。如金刚石射流（ Diamond-Jet ） [2] ，冲锋枪（ Top-Gun ） [3] ，连续爆炸喷涂（ CDS, Continuous Detonation Spraying ） [4] ，射流枪（ J-Gun ） [5] ，高速空气燃料系统（ HVAF, High Velocity Air-Fuel ） [6] 等。这些系统各有特点，如表 1 所示。涂层的质量在很大程度上取决于喷涂方法，但也将受到喷涂系统特点的影响。随着 HVOF 的开发与应用，各种喷涂系统也均相应地进行了不断改进与完善，为此，取代原型的新型 HVOF 喷涂系统不断涌现，如 J-K 的改进型 Jet-Kote Ⅱ ,Top-Gun 的派生型 HV-2000 型，分别由 DJ 与 J-Gun 派生的 DJ-2600 ， DJ-2700 与 JP-5000 型 [7] 。最近又发表了高频脉冲 HVOF 系统，通过控制可以使爆炸频率远高于传统的爆炸喷涂。

　　基于系统发展过程及其速度特性， Jet-Kote 被称为第一代 HVOF ， JP-5000 型与 DJ-2000 系列被称为第三代 HVOF 系统。其它 HVOF 系统成为第二代 HVOF 。第一代与第二代 HVOF 具有类似的火焰速度特性，因此，涂层的沉积特性及其性能无大幅度的变化。第三代 HVOF 具有更高的速度，喷涂过程中粒子的熔化程度更有限，在喷涂过程中除了可以有效抑制 WC 的分解外，粒子在沉积过程中，将会产生明显的喷丸效应，使涂层产生压缩残余应力，可以有效地提高涂层的表观结合强度 [8] 。

　　基于 HVOF 在制备金属陶瓷涂层时的特点，近年来又提出了主要依靠粒子的高速度制备涂层的新的方法，如 HVIF （ High Velocity Impact Fusion ）喷涂法 [9] ，冷喷涂法（ Cold Spraying ） [10] ，特别是冷喷工艺，由于可以制备氧化非常有限的金属涂层，受到了广泛的关注，目前发展很快。

　　在国内， HVOF 喷涂技术的发展也很受关注，喷涂系统主要依赖于进口，西安交通大学焊接研究所于 1995 年初研制成功了 CH-2000 （ CH ：为 Continuous Hypersonic ，或超音速的拼音的头文字） HVOF 系统 [11] ，迄今使用该系统已经开展了大量的研究工作并成功的用于高性能耐磨涂层制备的应用 [12-21] 。

表 1 典型 HVOF 系统的特点



系统简称   燃料种类   主要特点   相关初始型

Jet-Kote Ⅱ   气体   燃烧室与喷嘴垂直   Jet-Kote

DJ 2600 DJ 2700   气体   采用拉伐尔喷管。原 DJ 系列仅采用特殊收 DJ缩型喷嘴，用压缩空气冷却枪体   DJ

CDS   气体   燃烧室与喷嘴同轴线  

HV-2000   气体   可以使用低压气体，如乙炔   Top-Gun

JP-5000   液体   采用拉伐尔喷管，粉末侧向对称送入，喷嘴口径大，耗氧量大   J-Gun

HVAF   液体   用压缩空气代替氧气，并用其冷却枪体  

CH-2000   气体   燃烧室与喷嘴同轴线，气体压力流量均可调

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3、 HVOF 喷制的 WC-Co 涂层的结合强度
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　　表 2 为采用 CH-2000 系统制备的典型涂层的结合强度及硬度测试结果。结合强度测试主要根据 ASTM 标准，采用圆棒试样，在其一端经喷砂预处理后喷涂涂层，用粘结剂与另一圆棒对偶粘结在一起，通过拉伸试验进行涂层结合强度测试。
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　　结果表明对于 WC-Co 系与 Cr 3 C 2 -NiCr 系涂层断裂通常发生在粘结剂处，结合强度通常都超过现有粘结剂的强度，即大于 70Mpa ，喷涂工艺参数等对结果影响较小 [21] 。
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　　采用拉销法测试表明， HVOF 金属陶瓷涂层的结合强度可达到 150Mpa [22] 。
* c7 A8 V3 N6 Y4 P! G9 ~. P! ~
  q% l5 y( H& j- N8 y" v9 O　　日本高温学会热喷涂试验方法委员会组织日本企业各界采用普通拉伸法和拉销法系统地对用等粒子喷涂与两种 HVOF 喷涂系统、爆炸喷涂制备的 WC-Co 涂层的结合强度进行了对比试验研究，其结果表明用普通拉伸法测试，等离子 WC-Co 涂层的结合强度约为 40Mpa, 而 HVOF 涂层和爆炸喷涂层的断裂发生在粘结剂处，结合强度大于 70~80Mpa ；拉销法结果表明 HVOF 涂层的结合强度与爆炸喷涂层相当，达到 150Mpa [23] 。但是，应该指出 HVOF 金属涂层的结合强度受喷涂粒子熔化程度的影响很大 [19-20] ，当喷涂粒子达到完全熔化时，沉积的涂层的结合强度难以大幅度提高，而采用熔化有限的粒子制备涂层可以显著提高涂层的结合 [19-20] 。

; ~5 I' E! {' m$ r% m) l9 S' X　表 2 CH-2000 型 HVOF 典型涂层特性

涂层   硬度   结合强度
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WC-17Co   1280Hv   >65Mpa

WC-12Co   1300Hv   >65Mpa

/ M9 v( g8 u3 w* vNiCrBSi(Ni60)   900 Hv   >65Mpa
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( U: j# U5 s5 W+ D6 @6 K6 C! mCr 3 C 2 -NiCr   900 Hv   >90Mpa
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' d' e( |+ Q- _+ X) s说明：结合强度测试时，基体为低碳钢，全部断在胶中，为此结合强度大于表中的数值， Ni60 涂层采用 75~105 μm的粉末制备。

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2 q, K" j4 G4 W4、 HVOF WC-Co涂层的耐磨损性能
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5 H. i" j) B! B1 T# i4.1喷涂工艺条件对HVOF WC-Co涂层耐磨损性能的影响

9 N- s6 ?" v6 a& o) y　　HVOF工艺条件直接影响粒子的加热与加速特性，决定粒子的温度、速度以及在火焰流中的停留时间，从而影响涂层的组织结构，特别是涂层中WC颗粒的含量与大小、涂层的致密度。因此，在HVOF喷涂系统不断发展的同时，进行了大量的关于涂层结构与性能变化规律的工艺研究。

　　文献[24]对HVOF WC-Co系涂层的结构变化规律进行了详细的评述。涂层中的WC颗粒的大小及含量对涂层的耐磨损性能影响显著。图1为CH-2000系统在两种不同条件下制备的涂层的磨粒磨损试验结果[17]，表明喷涂条件对涂层耐磨性具有较大的影响。喷涂粉末为自贡硬质合金厂生产，磨损试验采用SUGA（日本）试验机进行，试验条件与后述的表3、图2及图5相同。


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图 1喷涂条件对WC-17Co涂层磨损量的影响
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4.2粉末种类对涂层耐磨性能的影响
* e+ Q. J, F7 j) A) b% M  ^( n
+ P5 L1 i/ O" `# W& z1 i　　表 2为四种典型WC-Co粉末采用Jet-Kote喷枪制备的涂层的磨损试验结果[25]。粉末的结构对涂层的结构影响显著，1-型粉末喷涂后，WC分解严重，涂层中存在着大量的金属W[26]，4-型粉末在沉积涂层时，由于包覆层熔化而芯部WC仍为固态，发生熔融相的优先沉积与芯部WC颗粒反弹的现象[27]，涂层主要由Co-W-C合金构成，基于沉积过程的快速冷却特征，该合金以非晶结构存在于喷态涂层中[28]。

! J& D" m: z+ o* j; \# J　　与3-型聚合粉末相比，由金属Co将细小WC致密地粘结在一起的2-型粉末，WC在喷涂过程中更有限[29]。为此，涂层的耐磨粒磨损性能最优。另一方面，对于WC非常容易分解的1-型粉末，通过采用加热强度低的火焰等合适的工艺条件可将WC的分解程度限制在W 2 C的范围内，可以大幅度提高涂层的耐磨损性能[29]。

　　HVOF WC-Co涂层磨损特征的理论与实验表明，涂层的耐磨粒磨损性能与WC颗粒相对大小的平方根呈反比，与其含量呈正比[25]。因此，需要选择WC颗粒细小的粉末。
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2 Q6 `3 z* N6 S. }表 3典型粉末制备的HVOF涂层结构特点及其磨损量比较
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* q' v  G$ W( S: a# A% D5 a粉末类型   1- 型   2 - 型   3- 型   4- 型

$ w( `4 X& y- H+ ]* G制造方法   烧结 - 粉碎   烧结 - 粉碎   聚合制粉   包覆型

公称成分   WC-12Co   WC-12Co   WC-17Co   WC-18Co
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粉末结构特点   粉末致密， WC 颗粒细小分布均匀， 分布均匀，粘结 在粗大的 WC均匀，粘结相 为 Co 3 W 3 C 复合碳化物   粉末致密，WC颗粒细小分布均匀，粘结相为 Co   粉末疏松，WC颗粒细小分布均匀，粘结相为 Co   Co均匀包覆在粗大的WC表面
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涂层结构特点   涂层致密,大部分WC分解为W   涂层致密,WC 分解非常有限   涂层致密,WC 分解有限   致密的CO-W -C 非晶合金 为主成分，存在有限的WC

% y6 f) z$ ^+ m8 k- \磨损量（ mg ）   14   6   10   19

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' ~2 `- J4 i6 l9 i5、 HVOF 涂层与其它方法制备的涂层的性能比较

5.1 与其它热喷涂方法的比较
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+ b  D; Z2 ?! S$ @. HHVOF WC-Co 涂层的硬度可以达到 1100 — 1300Hv ，与爆炸喷涂层相当，显著高于等离子喷涂层，一般等离子 WC-Co 涂层的显微硬度为 800 — 1000Hv 。表 2 为文献 [30] 所报导的几种涂层的硬度值。

表 2 几种 WC-Co 涂层与电镀硬铬层的硬度 [30]

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涂层   HVOF   HVOF   电镀硬铬层   爆炸喷涂
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' I& J; ?% [$ c! `成分   WC-12Co   WC-27NiCr   Cr   WC-13Co
) l) d& d7 }3 N. [* m5 W
$ B6 a1 v4 k# P, M5 H# @0 u- r1 d4 N! l硬度（ Hv 0.3 ）   1100~1270   1000~1100   800~900   1100~1200
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　　图 2 为 HVOF WC-12Co 涂层与爆炸喷涂 WC-13Co 涂层的耐磨料磨损试验结果比较 [30] 。试验采用 SUGA （日本）型磨损试验机， HVOF 采用 Jet-Kote 系统。

! A( `* o) T4 {" V1 ?　　其中，实线表示表面为喷涂状态下的涂层的试验结果，而点线表示表面精磨至 Ra=0.2 μm后的试验结果。结果说明无论在那种表面状态下，HVOF涂层的耐磨损性能超过了爆炸喷涂层。

　　图 3为三种方法制备的涂层，即等离子喷涂层、HVOF涂层、爆炸喷涂层的磨粒磨损试验结果[31]。磨损试验采用的干式橡胶轮磨损试验机，HVOF采用连续爆炸喷涂CDS系统。

* |- y7 j5 D! D8 W" t# ?. Q　　其中：1、4、6号所示结果分别为HVOF、等离子、爆炸喷涂制备的WC-12Co涂层的试验结果。2、3、5分别为HVOF WC-12%Ni,WC-10%Co-4%Cr,WC∕TiC-15%Ni涂层的试验结果。比较WC-Co涂层，表明HVOF涂层与爆炸喷涂相当，而显著优于等离子涂层。
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　　从以上结果可以看出， HVOF可以获得耐磨损性能显著优于等离子涂层，而优于或相当于爆炸喷涂的耐磨涂层。
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2 H( B4 F. K* j# |' r5.2 HVOF涂层与火焰喷焊层
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　　自熔合金喷焊层由于通过涂层的重熔，不仅能获得无气孔致密的、耐磨损性能及耐腐蚀性能优越的涂层，而且，可使涂层与基体达到冶金结合，在国民经济的各领域得到了广泛的应用，获得了良好的效果 [32]。

6 d2 Q- V# ^: H5 T. W　　但是，涂层的重熔工艺要求将工件表面加热到1000℃以上，加热温度高，不仅容易引起基体组织和性能的变化，而且，还会产生巨大的热应力，从而引起变形，对于要求比较严格的近终成形的零件，就难以适用。HVOF涂层的优越性能为取代喷焊层提供了可能。
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　图 4各类HVOF喷涂层与NiCrBSi喷焊层，电镀硬铬层的耐磨料磨损性能试验结果的比较例[33]。HVOF采用DJ系统喷制。图中，NiCrBSi（相当于Ni60）喷焊层的耐磨损性作为1进行相对比较，该结果也说明通过选择合适的涂层材料，可以得到性能优于喷焊与电镀硬铬层的HVOF涂层。
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& s  Q/ s6 U# m5.3 HVOF 涂层与电镀硬铬层
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/ }0 V) Q0 z! j- v* I- g　　电镀硬铬层作为提高材料表面耐磨损性能的方法，由于可以在低温下进行电镀，涂层硬度高，同时，形成涂层后可以不需要进行加工，因此，作为已经精加工成最终形状的零件表面涂层强化方法，应用非常广泛。
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# Y' w. H$ B, M" _' x, v  }& I8 S　　但是，对于尺寸较大的零部件，电镀加工就难以适用，同时，硬铬层的最高使用温度约为 350 ℃，受到限制。此外，由于不可避免地存在着环境污染问题，随着对环境保护的要求越来越严，成本将会越来越高。因此，开发可以替代电镀硬铬层的涂层技术有着重要的意义。
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　　图 5 为电镀硬铬层与 HVOF WC-Co 涂层的耐磨料磨损试验结果的比较例 [30] 。 HVOF 涂层采用 Jet-Kote 系统喷制。结果说明 HVOF 硬质合金涂层的耐磨损性能显著优于电镀硬铬层。图 4 所示结果也证明了上述结论。
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　　以上结果充分说明， HVOF 涂层完全可以取代电镀硬铬层。为此，迄今有许多关于用 HVOF 替代硬铬技术的研究报道。
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wanglinyou

6、 HVOF 涂层的典型应用实例简介

　　HVOF 涂层由于具有优越的性能，其应用已遍及从航空发动机、民用汽轮机、到石油化工、汽车、钢铁冶金、造纸、生物医学等的各个领域。不仅用于磨损件的修复，而且更多的是用作 OEM 的新装设备的性能强化。
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( ^5 H) H; }6 m) p% h. r; c7 Q: P　　文献 [34] 介绍了美国应用 HVOF 涂层的情况。自从 HVOF 在航空发动机部件，如压缩机叶片，压缩机静子叶片，轴承套等零部件上应用以来，已经基本实现了标准化，用来代替以前使用的爆炸喷涂层，旨在降低成本。美国喷气式发动机制造商在完成了实验室试验的基础上，对钛合金表面的 HVOF WC-Co 涂层进行实机实验，文章指出尽管实验仍在进行之中，根据以前的经验推测 HVOF 涂层将能获得满意的结果，而实验的成功将能大大降低涂层的成本。 HVOF McrA1Y 涂层在汽轮机第一级静叶片上的实际使用证明效果良好，可以代替比较昂贵的低气压等离子涂层和电子束物理气相沉积涂层。

　　在造纸行业，各种工作辊轮为了保持良好的表面光洁度，有些需要隔半个月到四个月必须精磨一次。经涂覆 100 μm后的镜面HVOF WC-Co涂层，使用15个月后，涂层表面光洁度几乎还与初始表面一样[35]。

8 A. o% C+ |8 q% J　　热浸镀锌槽中的沉没辊，一般采用铬 13，或喷涂自熔合金，由于处于熔融的锌液中，受锌液熔蚀严重，因此，寿命很短，一般只有5—10天。通过喷涂HVOF WC-Co涂层，改善了耐融蚀性，使辊的寿命增加2 -8倍以上[36]。
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　　有色金属二次加工轧辊经过采用HVOF喷涂层，寿命显著提高。如A1板冷轧线上的成形辊、输送辊等经喷涂HVOF WC金属陶瓷涂层后，上的成形辊、输送辊等经喷涂HVOF WC金属陶瓷涂层后，其寿命可以从0.5-1年，延长到2-3年[37]。
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　　文献 [38]总结了热喷涂技术在钢铁冶金中应用及其效果。随着热喷涂技术的应用，各类易损件的寿命显著提高，从而显著提高了冶金产品的质量与成品率。如对于钢板解卷或绕卷的张力辊，采用电镀硬铬强化时，寿命仅为2.5个月，而采用HVOF喷涂1㎜的WC-Co涂层，使用5年后，仍然在继续使用。对于钢厂自备电厂中的锅炉管道喷涂0.25㎜厚的HVOF Cr 3 C 2 -NiCr涂层，试验预测可以提高管道寿命10倍到15倍。
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# J! q3 N- s' y& `, Q　　在石油化工领域， HVOF广泛用于强化轴塞杆。爆炸喷涂制备的WC-17%Co涂层成功地用在钻头（Tricone drill bits）,钻干（Rotors）[34]。根据爆炸涂层与HVOF涂层性能比较结果，认为HVOF也完全可以应用于这些零部件。对于工作在温度高达540℃，压力高达140Mpa的含有腐蚀性砂浆的管线中的金属座球阀，HVOF WC-Co涂层，Cr 3 C 2 -NiCr涂层，Fe-Cr-Ni-Mo涂层，WC-Ni涂层的应用，大幅度提高了球阀的耐腐蚀和耐冲蚀性能，提高了使用可靠性和寿命[39]。

7 、结束语
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2 O9 a* c7 u5 D# _' O8 ^. Y　　HVOF 喷涂技术的发展是喷涂系统的开发与应用开发并行发展的。经过近 20 年的研究开发，该技术已经趋向于成熟。以上有限的应用实例充分说明 HVOF 涂层，可以显著提高零部件的质量与寿命。
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　　随着对产品质量、可靠性的要求不断提高，对产品高附加价值要求的提高， HVOF 的应用领域将不断扩大，除了传统采用热喷涂强化的工业领域的应用外，其它涉及到所有装配有易磨损零部件的机器、设备， HVOF 都将会获得广泛的应用。作为对环境友好取代电镀硬铬的工艺， HVOF 也具有很大的潜力。
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　　但是，在应用 HVOF 时，也应该注意到涂层的性能取决于涂层的结构，而涂层的结构又受到喷涂工艺条件、对于 WC-Co 硬质合金，特别还显著受到喷涂粉末结构的影响。此外，基体材料种类与喷涂材料种类直接影响着 HVOF 涂层与基体的结合。为此，喷涂粉末的选择与喷涂工艺的优化等对于有效地发挥 HVOF 技术的潜力具有重要影响。

zsk2000

不错，不错。

不过就是所说的图片看不到呀。

# g, C& |7 V* A6 u8 G: I  Z" ^, @LZ是从事热喷涂的吗？
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最好把热喷涂工艺系统的给发上来，以便我辈学习，呵呵、、、

lfuguang

说的非常好，但是，参考文献怎么都没有啊？

lfuguang

楼主，你的这篇文章有没有发表？很想有机会拜读一下阿。