0 序 言
异质双丝电弧喷涂，是指使用两根不同材质的金属丝材作为电弧喷涂的两个自耗电极，利用两丝尖端产生的电弧而不断将自身熔化，同时熔化的金属材料在高速气流的推力作用下被迅速脱离丝尖，进而雾化成小熔滴高速沉积在基体表面形成涂层的一种工艺过程. 由于异质双丝电弧喷涂使用的两根金属丝材质不一样，因此它可以制备出复合涂层. 该工艺通常使用常规的实心丝材，具有材料来源广泛、成本低等优势，且制备的复合涂层的混合程度比较均匀，涂层可以形成多种成分搭配. 理论上讲，任何两根丝材都可形成组合，例如不锈钢丝–铜丝 (Fe-Cu)，铜合金–铝丝 (Cu-Al)，镁合金丝–铝丝 (Mg-Al)，锌丝–铝丝 (Zn-Al)等组合[1-4]，这些丝材组合间的熔点相差一般小于500 ℃时，可以通过调节阴阳极搭配方式和工艺参数等方法保证喷涂的稳定性，以获得均匀的涂层. 但是研究中发现，当两根丝材熔点等性能相差比较大时，喷涂的稳定性受到挑战，最终无法按预先设想的要求制备出组织均匀的混合涂层. 例如镍丝–铝丝(Ni-Al)，钢丝–铝丝(Fe-Al)，钛丝–铝丝(Ti-Al)组合[5-8]，喷涂过程中经常出现断弧及高熔点丝材熔化不完全等缺陷，严重影响了该技术工艺的稳定性和大范围工程应用. 为此文中针对熔点差异大的异质双丝电弧喷涂断弧现象严重、高熔点丝材熔化不充分和喷涂稳定性差的问题，提出有别于常规喷涂方法的异质双丝电弧喷涂的改进思路，并优化研究不同材质的双丝喷涂工艺.
1 试验方法
1.1 异步送丝电弧喷涂
常规的电弧喷涂系统采用同步送丝的设计，即通过一个电机带动齿轮减速机构，将电机输出的动力传至两个输出轴，这两个输出轴通过送丝轮分别实现两根丝材的连续送进，由于齿轮减速机构带动两输出轴的旋转速度是完全一致的(即机械同步)，所以常规电弧喷涂系统两根丝材的送丝速度也是同步的. 喷涂电源以接触引弧的方式点燃电弧，在喷涂过程中，当丝尖端发生断弧时，虽然喷涂电源的设计可以使丝材自动重新引弧[9]，但是以相同速度进给的双送丝机构对于异质双丝电弧喷涂并不利，原因是当两根丝材熔点和导电性能相差较大时，致使其受热和熔化的速度不一致，最终导致喷涂时断弧频次过多或者高熔点的丝材熔化不完全，进而难以形成稳定的电弧，喷涂无法持续. 为解决这一问题，研究设计了异步送丝电弧喷涂设备，其设备组成原理如图1所示，异步送丝机构分别由两套直流送丝电机、机械传动减速机和控制卡组成.两套机械传动减速机都采用单输出轴设计，互不相连.
图1 异步送丝电弧喷涂设备组成原理
Fig. 1 Schematic of the arc spraying system with an asynchronous wire feeder
1.2 喷涂工艺参数的优化
使用直径为2 mm的82B高碳钢丝(成分Fe-0.82C-0.6Mn-0.1Cr)－纯铝丝的丝材组合作为基本喷涂对象，并结合开发的异步送丝电弧喷涂系统进行喷涂试验. 喷涂时，固定铝丝作为喷涂电源输出的自耗阳极，高碳钢丝作为自耗阴极的组合设计，该设计的特征在于喷涂时阳极丝材尖端的电弧发散、热量小，而阴极丝材尖端的电弧集中、热量大[10]，因而高熔点丝材作阴极，低熔点丝材作阳极的组合设计可进一步促进电弧的稳定. 使用HiSpec 5型高速摄像机观察Fe-Al双丝组合异步送丝电弧喷涂弧区的动态变化过程，并和常规的电弧喷涂方法进行对比. 测试时高速摄像机固定在三角架上，距离喷枪约160 mm，将9号电焊玻璃片置于摄像机Zoom 7000变焦近摄镜头的前端以滤除弧光，外加1.5 kW射灯光源照射以增加拍摄清晰度，拍摄频率设定为1 500 fps，通过HiSpec 2 Director摄像机控制软件实时记录喷涂过程的图像数据.
电弧喷涂工艺参数对电弧喷涂的稳定性和涂层的质量也有一定的影响. 为此研究了喷涂电流60 ～ 200 A，电压26 ～ 38 V变化范围内的弧区形貌特征，通过分析不同喷涂电压和电流对喷涂弧区特征的影响规律，优化适合于Fe-Al异质双丝稳定喷涂的工艺参数. 然后使用优化的喷涂工艺制备Fe-Al复合涂层，使用Quant 200型扫描电镜(配EDAX能谱仪)观察涂层的显微形貌与成分，并使用Bruker D8 Advance型多晶X射线衍射仪分析涂层的相组成.
2 试验结果与分析
2.1 异步送丝对异质双丝电弧喷涂稳定性的影响
图2为使用HiSpec 5型高速摄像机对Fe-Al双丝组合电弧喷涂弧区进行高速记录的照片，其中图2a为常规同步送丝喷涂工艺条件下的结果，发现碳钢丝只能部分熔化，且目测能感知的断弧现象比较明显，电弧极不稳定，而且调节喷涂电压、电流等工艺参数并不能使该现象得到明显改善；当采用异步送丝电弧喷涂之后，通过调节碳钢丝的送丝速度，使之略低于铝丝送丝速度，使得两根丝材的送丝速度与各自的熔化速度相匹配，最终使电弧变得非常稳定，如图2b所示，有效解决了喷涂过程中的长时间断弧问题. 由此说明，异步送丝电弧喷涂根据两根丝材的熔点和导电性能存在差异的特点采用各自不同的送丝速度引入弧区，调节送丝速度使熔点高的丝材进给速度快、熔点低的丝材进给速度稍慢，这样可使两根异质丝材的熔化速度基本一致，进而可使其电弧更稳定.
选取了我院2月到12月46例晚期恶性肿瘤患者作为研究对象，所有患者已经确诊。男性31例，女性15例；年龄在65岁以上有38例，65岁以下有8例。本研究当中使用的阿帕替尼非适应症用药恶性肿瘤类型满足前期临床研究支持，患者自愿采用阿帕替尼，向患者家属讲述了用药过程中可能出现的并发症和风险，患者家属签订知情同意书。
图2 Fe-Al异质双丝电弧喷涂弧区形貌
Fig. 2 Arc profiles during the Fe-Al hybrid twin-wire arc spraying
2.2 喷涂电流对 Fe-Al异质双丝喷涂弧区的影响
图3 a ～ d为不同喷涂电流情况下Fe-Al双丝喷涂弧区的形貌特点，可以看出，当喷涂电流较小时，电弧的能量较小，相对应的送丝速度也较低，低熔点Al丝和高熔点的碳钢丝虽都能熔化，但雾化效果不甚理想. 当喷涂电流增加到一定程度时，两种丝材的熔化速度趋于一致. 随着喷涂电流的继续增大，高熔点丝材的熔化速度低于低熔点丝材，或者说两根丝材之间的熔化平衡逐渐打破，直到喷涂电流增大到200 A时，碳钢丝不能完全熔化，从而出现了类似于常规同步送丝喷涂时的不稳定现象. 由此可见，喷涂电流对异质双丝电弧喷涂工艺的稳定性具有重要影响. 在高速电弧喷涂过程中，送丝速度随着喷涂电流的增大而非线性增加，因而喷涂电流和送丝速度存在一定的匹配适应关系，对于常规同步送丝喷涂系统喷涂两根同质丝材时，这种匹配的范围较宽，或者说电流的可稳定调节范围较大，但是对于异质双丝喷涂，由于两根丝材的熔点存在差异，这种匹配的范围相应地缩小了，在当前异步送丝喷涂设备条件下较佳的喷涂电流范围是100 ～160 A.
图3 不同喷涂电流时喷涂弧区形貌
Fig. 3 Arc profiles for the arc spraying with different spray current
2.3 喷涂电压对 Fe-Al异质双丝喷涂弧区的影响
图4 不同喷涂电压时喷涂弧区形貌
Fig. 4 Arc profiles for the arc spraying with different spray voltage
研究中将喷涂电流固定在100 A不变，喷涂电压从26 V增大至38 V，弧区的形貌特征如图4所示. 可见，当喷涂电流选择适当时，喷涂电压的改变对电弧的稳定性影响不大. 喷涂电压低至26 V时，两根丝材能正常引弧和燃弧，进而熔化丝材，喷涂电压增大至38 V时，接近电源工作电压的最大值，仍能正常引弧和燃弧. 但是，喷涂电压过小或过大时，对材料的熔化的影响并不一样，电压过小时，电弧能量较低，丝材熔化形成的熔滴的温度相应较低，进而造成熔滴的二次雾化尺寸较大. 电压过高时，丝材熔滴过热，造成的汽化和氧化烧损增加，也不利于喷涂沉积.
2.4 异质双丝喷涂 Fe-Al涂层的组织结构
图5为喷涂Fe-Al复合涂层的SEM形貌，涂层主要由层状结构的碳钢、铝扁平颗粒、少量氧化物夹杂和孔隙组成. EDS结果显示，图中浅黑色区域对应铝颗粒、灰色区域为铁合金颗粒，碳钢颗粒和铝颗粒交错叠加，混合比较均匀. 碳钢和铝扁平颗粒的厚度约10 μm. 通过分析涂层的组织特征还发现，处于扁平金属颗粒界面(表面)处许多连续的氧化物膜层在强烈沉积变形作用下存在破碎的痕迹，另外一些细小的氧化物膜(颗粒)被卷到大块扁平合金颗粒的内部，这是由于熔滴在飞行过程中气流的卷吸作用造成的.
图5 喷涂 Fe-Al复合涂层截面 SEM 形貌
Fig. 5 Cross-section SEM photograph of the as-sprayed Fe-Al composite coating
图6 为喷涂后Fe-Al复合涂层的XRD结果，涂层中主要含有单质Al相、α-Fe相、γ-Fe相以及FeO相，并未检测到铝氧化物以及Fe合金和Al合金相对应的衍射峰. 该XRD结果与文献[4]比较一致，均未检测到铝氧化物相和金属间化合物相. 分析认为，喷涂过程中，铝丝和碳钢丝受电弧加热，二者熔化和脱离丝尖端，在气流的作用下迅速雾化成小熔滴，阴阳两极的材料很难在丝尖端处混合并发生冶金反应，而是各自以不同的状态被气流“冲走”，致使铝合金和碳钢材料在熔化时来不及混合和发生反应，形成的涂层也就很难找到二者的合金相了.
涉浅水者得鱼虾，涉深水者得蛟龙。工作人员不打招呼、不亮旗号的微服公访，确实开了眼界、见了真情、获了真知，与网络、信件、来电反映的问题再去比较、对照，即如毛主席在名篇《人的正确思想是从哪里来的？》所言，大量社会现象反映到头脑中，开始是感性认识，积累多了，就会产生一个飞跃，变成了理性认识。微服公访让工作人员形成了理性认识，使专项斗争和整改工作，做到了决策正确、目标明确、认识深入、行动有力、减少失误，保证了中央决策的贯彻执行。
图6 喷涂后 Fe-Al复合涂层 XRD 图谱
Fig. 6 XRD pattern of the as-sprayed Fe-Al composite coating
3 结 论
(1) 使用异步送丝的电弧喷涂设备可有效解决熔点差别较大的异质双丝电弧喷涂时的频繁断弧和丝材熔化不充分的问题，通过高速摄像技术观察Fe-Al异质双丝电弧喷涂过程的电弧行为，也证实该种喷涂方法使碳钢丝和铝丝的送丝速度与各自的熔化速度相匹配，进而保证了丝材的完全熔化，并减小了断弧的频次，实现了异质双丝的稳定喷涂.
(2) 基于异步送丝的电弧喷涂方法，优化确定了Fe-Al双丝组合时的最佳工艺参数范围，喷涂电压 30 ～ 34 V，喷涂电流 100 ～ 160 A.
党的十八大提出 “把立德树人作为教育的根本任务”，党的十九大更进一步要求落实立德树人根本任务。专业课教师和思想政治教育工作者应把“立德树人”作为共同的教育目标协同育人。所以一方面要增强专业课教师传德育人意识，充分挖掘专业课程中的思想政治教育资源，在侧重专业知识的传授过程中，重视对学生进行德育的渗透，并把专业教师对学生进行德育的工作方法和效果纳入专业教师的考核体系并适当提高比重。另一方面要求思想政治教育工作者要围绕专业特点、默契专业需求更合理地设计和开展思想教育及第二课堂活动，有效提升育人的效果。总之，所有教师都应该共同努力、共同配合，才能做到全员育人、全方位育人、全过程育人。
(3) 基于Fe-Al复合涂层的SEM形貌与XRD结果，证实Fe-Al异质双丝电弧喷涂过程中阴阳两极材料间基本不发生冶金反应，形成的是一种Al软质颗粒和碳钢硬质颗粒的机械混合物，两种扁平颗粒交错叠加.
在上早操前我会和学生们一起进行10分钟晨会，晨会由学生自主组织，对10分钟晨会进行承包制，专人负责，全员参与，形成特色。
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