Al-B2O3-CeO2-粉煤灰復合增強涂層成分設計及沖蝕磨損分析

孫方紅，馬 壯，孫國棟，高志玉

(1.遼寧工程技術大學創新實踐學院，阜新 123000；2.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新 123000； 3.凌源鋼鐵股份有限公司，朝陽 122000)

0 引 言

粉煤灰是工業固體廢棄物，通過燃煤企業或火力電廠等把煤燃燒后形成的一種火山灰質細粒分散狀殘余物[1]，通常在垃圾填埋場被處理。我國電廠粉煤灰主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等氧化物，其中SiO2、Al2O3、Fe2O3三者比重之和超過了70%，而CaO和MgO的含量比重并不大(通常都不會超過10%(質量分數)，但是也不會低于0.2%)。一般情況下，粉煤灰呈灰白色或灰黑色，其顏色越深則意味著粉煤灰中碳含量越多[1]。而粉煤灰中含碳量增加時，其活性就會降低，這主要是因為粉煤灰中含活性的SiO2、A12O3、CaO含量降低而導致。目前粉煤灰在建材、農業、精細利用等領域已得到一定應用，且利用率呈現逐年增長趨勢，但要最大化、高附加值的綜合利用依舊存在不少困難。產生粉煤灰消費市場的需求是研究替代應用的主要原因，而粉煤灰具有高的耐磨性、耐熱性和穩定性等特點，其組成與氧化物陶瓷涂層大致相近，作為一種涂層材料用于工程零件和建筑材料等方面具有巨大的前景[2-5]。因此，作者嘗試以粉煤灰作為涂層的主要成分，輔以添加其他骨料制備粉煤灰復合增強涂層，提高材料表面的耐磨性、耐蝕性等。

國內外研究學者對利用粉煤灰用于表面防護涂層進行了很多研究，如Ahmad等[6]在鍍鋅鋁合金7075(AA7075)基體上，采用電沉積技術制備了鎳-粉煤灰(Ni-FA)復合涂層。結果表明，與沒有添加粉煤灰的純鎳涂層相比，Ni-FA復合涂層的表面形貌更為致密、且更均勻和光滑；與純鎳涂層硬度218.7 HV相比，Ni-FA復合鍍層硬度值達到320 HV，且其硬度值隨FA含量的增加而增加等。Rohatgi等[7]在A356鋁合金表面制備粉煤灰鋁基復合材料，結果表明鋁基復合材料中添加一定量的粉煤灰顆粒，使其密度降低，硬度和耐磨性增加。吳林麗[8]對粉煤灰進行表面改性處理，并制備出粉煤灰增強鋁基復合材料。結果表明，隨著復合材料中粉煤灰含量不斷增加，其硬度和耐磨性也不斷提高。Panagopoulos等[9]在低碳鋼基材上電沉積鋅-粉煤灰復合涂層，結果表明添加粉煤灰使涂層的硬度增加，鋅-粉煤灰復合涂層比低碳鋼基材的耐腐蝕性要低，但其結合強度比同種材料的純鋅涂層高。孫方紅等[10]采用等離子噴涂在金屬材料表面制備粉煤灰復合涂層，結果表明制備的粉煤灰復合涂層耐蝕性、耐磨性都優于基體材料，但還有待于進一步提高。在此基礎上，試驗通過熱力學分析和正交優化試驗確定粉煤灰復合增強涂層各成分之間的最佳配方，為進一步提高其性能奠定基礎。

很多過流件如離心脫水機轉子、渣漿泵葉輪、水輪機葉片等在服役的過程中，因易受到沖蝕磨損而降低設備運行的穩定性和可靠性，減少其使用壽命，并帶來安全隱患。因此，為了提高過流件的沖蝕磨損性能，本文在前期研究的基礎上，以Al-B2O3-CeO2-粉煤灰為基本組成，通過熱力學分析和正交優化試驗，確定出粉煤灰復合增強涂層各成分之間的最佳配方比例，并采用等離子噴涂在ZG310-570鑄鋼表面制備粉煤灰復合增強涂層，分析其物相組成和沖蝕磨損性能，為優化粉煤灰復合增強涂層的沖蝕磨損性能提供理論依據，進一步提升過流件表面耐沖蝕磨損性。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗選擇過流件常用基材ZG310-570鑄鋼，并用線切割加工成20 mm×20 mm×5 mm的塊狀材料，其具體力學性能見表1，其中σs為屈服強度，σb為抗拉強度，δ5為斷后收縮率，AKV為沖擊功，HBS為布氏硬度。涂層材料為Al-B2O3-CeO2-粉煤灰，其中粉煤灰主要化學成分見表2。

表1 ZG310-570的力學性能Table 1 Mechanical properties of ZG310-570

表2 粉煤灰的主要化學成分Table 2 Main chemical composition of fly ash

增加適量的B2O3，使粉煤灰復合增強涂層組織結構得到優化，易于在涂層中產生新的硬質相，有利于促進涂層耐沖蝕磨損等性能的提高；增加適量的CeO2，可以改善粉煤灰復合增強涂層晶界狀態，細化涂層晶粒，提高基體與涂層之間的結合力和減少孔隙率，從而提高粉煤灰復合增強涂層抗熱震性、耐磨性等；添加Al粉，利用其較強的還原性與B2O3、CeO2或者粉煤灰中主要成分SiO2、CaO、MgO等發生反應生成硬質相Al2O3等，提高粉煤灰復合增強涂層的耐沖蝕磨損性等。另外，Al粉熔點較低(933 K)及熔化后易擴散，有利于降低反應溫度和提高陶瓷粒子熔化率[11]。

1.2 等離子噴涂工藝

試驗前對ZG310-570基體進行除油、除銹等凈化及噴砂處理，其中噴砂材料：棕剛玉砂(600 μm)，噴涂距離120～150 mm，噴涂角度90°，噴砂壓力0.6～0.8 MPa。另外，在ZG310-570基體和粉煤灰復合增強涂層之間噴涂厚度約100 μm的Ni-Al過渡層。

采用美國Praxair/TAFA公司生產的3710型等離子噴涂系統，使用氬氣為等離子氣體，氫氣為輔助氣體。將塊狀基體表面預處理后，采用等離子噴涂技術制備Ni-Al過渡層(90%Ni，10%Al，均為質量分數)和粉煤灰復合增強涂層。工藝參數為噴涂功率30 kW，噴涂電流530 A，噴涂電壓70 V，噴涂距離100 mm，送粉量40 g/min等。

1.3 試驗方法

使用蔡司EVO18型掃描電鏡對粉煤灰復合增強涂層的表面形貌進行觀察；采用島津 XRD-6100型X射線衍射儀對粉煤灰復合增強涂層進行物相分析，具體試驗參數：Cu靶輻射，Ni濾波片，管電壓40 kV，管電流30 mA，掃描速度為8 (°)/min，掃描范圍為10°～80°；采用MSH型沖蝕磨損試驗機對粉煤灰復合增強涂層耐沖蝕磨損性能進行測試，用人工模擬海水[12]和石英砂作為沖蝕液，石英砂粒徑212～850 μm，介質體積濃度為5 000 ∶2 800，沖蝕角為90°，轉速分別為200 r/min、300 r/min、400 r/min。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰復合涂層的熱力學分析

為了確定粉煤灰復合涂層材料間的反應產物，對其進行了熱力學分析。熱力學計算可以為化學反應的方向、限度以及反應產物分析提供參考依據。試驗對Al-B2O3-CeO2-粉煤灰反應體系進行熱力學計算分析，為后續試驗研究提供理論指導。因粉煤灰的成分構成復雜，下文的熱力學計算僅考慮粉煤灰中的SiO2、Al2O3、CaO和MgO。

對于溫度為T時的化學反應系統，其系統吉布斯函數變化如式(1)所示：

ΔrGT=∑ni(GT)i,Pr-∑ni(GT)i,Re

(1)

式中：ΔrGT為溫度T時化學反應前后系統吉布斯函數變化;ni表示物質i的物質的量;下腳標Re、Pr分別表示反應物和生成物，如(GT)i,Pr表示生成物質i在溫度T時的吉布斯函數。

Al-B2O3-CeO2-粉煤灰反應體系中，Al具有較強的還原性，可以與B2O3、CeO2分別發生還原反應，或者與粉煤灰中主要成分SiO2、CaO、MgO等發生還原反應。另外，上述還原反應產物還將繼續參與新的反應。借助反應熱力學吉布斯函數變化，可以判斷可能存在的反應類型，即反應自由能變化最小，其反應驅動力最大。

Al和B與O2反應方程式及吉布斯函數表達式如下：

2Al+B2O3=Al2O3+2[B] ΔrGT=-345 300+64.97T

(2)

Al還原CeO2的相關反應式及吉布斯函數表達式如下：

2Al+1.5CeO2=Al2O3+1.5[Ce] ΔrGT= 51 450-42.75T

(3)

Al還原SiO2的相關反應式及吉布斯函數表達式如下：

2Al+1.5SiO2=Al2O3+1.5[Si] ΔrGT=191 490-3.86T

(4)

Al還原CaO的相關反應式及吉布斯函數表達式如下：

2Al+3CaO=Al2O3+3[Ca] ΔrGT=346 350-50.70T

(5)

Al還原MgO的相關反應式及吉布斯函數表達式如下：

2Al+3MgO=Al2O3+3[Mg] ΔrGT=254 610-74.55T

(6)

圖1為化學反應式(2)～式(6)的吉布斯函數變化隨溫度變化的曲線。每個反應的吉布斯函數變化為負(ΔrGT<0)所對應的溫度范圍是該反應可以正向進行的溫度區間。通過圖中各反應吉布斯函數變化隨溫度的變化規律可知，Al可在相對較低的溫度下將B2O3、SiO2和CeO2還原，即上述式(2)、式(3)和式(4)化學反應在熱力學上可以在較低的溫度下向右自發進行。另一方面，式(2)的ΔrGT比式(4)更負(絕對值更大)，表明式(2)反應的驅動力更大，即在一定溫度范圍內，B2O3更容易被Al在整個反應體系中優先還原出來。根據圖1所示，從熱力學角度分析，Al亦可在更高的溫度下與粉煤灰中的主要成分CaO、MgO等發生反應。根據上述熱力學分析，等離子熱噴涂中，以Al還原B2O3為主。此外，在1 000～3 000 K時，從熱力學上可能發生Al還原CeO2、SiO2的反應。以下分析略去MgO、CaO的還原反應。

圖1 Al還原反應ΔrGT隨溫度的變化曲線Fig.1 Variation curves of ΔrGT with temperatures in Al reduction reaction

Al將B2O3、SiO2和CeO2還原后置換出[B]、[Si]及[Ce]活性原子，這三種活性原子之間或與過量未反應的Al可能會發生反應，其反應式和吉布斯函數變化見式(7)～式(12)：

Al+2B=AlB2ΔrGT=-69 739.7+11.73T

(7)

Al+12B=AlB12ΔrGT=-220 000+7.45T

(8)

Ce+2Al=CeAl2ΔrGT=-213 400+50.63T

(9)

Ce+4Al=CeAl4ΔrGT=-175 700+21.33T

(10)

6B+Ce=CeB6ΔrGT=-376 600+55.23T

(11)

Ce+2Si=CeSi2ΔrGT=-200 800+16.32T

(12)

圖2繪制了式(7)～式(12)反應的吉布斯函數變化。根據圖2可知，當3 000 K以下時，上述活性原子間的反應吉布斯函數變化均為負值，說明這些反應從熱力學上講是可以自發進行的。相同的反應溫度下，式(11)反應6B+Ce=CeB6的ΔrGT最負，反應進行的熱力學驅動力最大，反應產物較為穩定。

圖2 單質反應ΔrGT隨溫度的變化曲線Fig.2 Variation curves of ΔrGT with temperatures

Al將B2O3、SiO2和CeO2還原的同時，會有Al2O3產生。粉煤灰中亦含有較多的Al2O3、SiO2、少量CaO和MgO等。這些氧化物間可能發生的化學反應如下，對應的吉布斯函數變化一同列出：

Al2O3+SiO2=Al2O3·SiO2ΔrGT=-8 800+3.89T

(13)

3Al2O3+2SiO2=3Al2O3·2SiO2ΔrGT=-8 600-17.41T

(14)

CaO+Al2O3=CaO·Al2O3ΔrGT=-18 000-18.83T

(15)

3CaO+Al2O3=3CaO·Al2O3ΔrGT=-12 600-24.69T

(16)

CaO+2Al2O3=CaO·2Al2O3ΔrGT=-16 700-25.52T

(17)

CaO+6Al2O3=CaO·6Al2O3ΔrGT=-16 380-37.58T

(18)

MgO+Al2O3=MgO·Al2O3ΔrGT=-35 600-2.09T

(19)

CaO+SiO2=CaO·SiO2ΔrGT=-92 500+2.50T

(20)

3CaO+SiO2=3CaO·SiO2ΔrGT=-118 800-6.70T

(21)

2CaO+SiO2=2CaO·SiO2ΔrGT=-118 800-11.30T

(22)

3CaO+2SiO2=3CaO·2SiO2ΔrGT=-236 800+9.60T

(23)

MgO+SiO2=MgO·SiO2ΔrGT=-41 100+6.10T

(24)

2MgO+SiO2=2MgO·SiO2ΔrGT=-67 200+4.31T

(25)

CaO+MgO=CaO·MgO ΔrGT=-7 200-0T

(26)

3CaO+B2O3=3CaO·B2O3ΔrGT=-278 200+29.70T

(27)

2CaO+B2O3=2CaO·B2O3ΔrGT=-208 800+17.15T

(28)

CaO+B2O3=CaO·B2O3ΔrGT=-149 400+30.96T

(29)

CaO+2B2O3=CaO·2B2O3ΔrGT=-223 000+89.12T

(30)

上述式(13)～式(30)對應氧化物反應的吉布斯函數變化與溫度的關系曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，Al-B2O3-CeO2-粉煤灰反應體系中氧化物間的反應將在涂層中形成復雜的陶瓷相。在3 000 K以內，式(13)和式(14)反應可自發進行，相對來說驅動力較小，產物為Al2O3·SiO2、3Al2O3·2SiO2；式(23)、式(27)和式(28)反應驅動力較大，反應產物為3CaO·2SiO2、3CaO·B2O3和2CaO·B2O3，且反應的熱力學驅動力依次遞減。由此可見，在合適的溫度下，等離子噴涂制備的粉煤灰復合增強涂層將有陶瓷相硬質顆粒形成。

圖3 氧化物反應ΔrGT隨溫度的變化曲線Fig.3 Variation curves of ΔrGT with temperatures in oxide reaction

考慮到上述反應的熱力學驅動力大小以及涂層反應主要參與物質，可能的一個總反應(熱力學驅動力最大)及其吉布斯函數變化表達式如下：

22Al+10B2O3+3CeO2+3SiO2+7CaO+2MgO=5Al2O3+3CeB6+ 3CaO·B2O3+3CaO·2SiO2+2MgO·SiO2+CaO·6Al2O3

(31)

ΔrGT=-3 603 380+505.26T

(32)

總之，從熱力學角度分析，利用Al-B2O3-CeO2-粉煤灰體系原位合成陶瓷硬質顆粒是可行的。

2.2 基于正交試驗的增強涂層配方確定

2.2.1 正交試驗設計

根據粉煤灰復合增強涂層體系構成及上述合適的涂層配方范圍，確定要考察的因素有：Al含量(A)、B2O3含量(B)、CeO2含量(C)，每個因素均取三個水平。試驗以粉煤灰復合增強涂層的沖蝕磨損失重量(單位面積質量損失量)、熱震性為檢驗指標，據此分析最佳粉煤灰復合增強涂層配方。試驗使用L9(34)正交表進行設計，表3、表4分別為正交試驗因素水平情況和試驗方案。

表3 試驗因素水平表Table 3 Experimental factor level table

表4 試驗方案Table 4 Experimental formula

2.2.2 正交試驗結果分析

(1)基于涂層耐沖蝕磨損性的最佳配方分析

試驗測定的不同試驗方案沖蝕磨損結果見表5。以ZG570-310為基體材料，在其表面等離子噴涂不同配比的粉煤灰復合增強涂層。沖蝕磨損試驗參數：沖蝕介質為人工模擬海水和建筑用砂(體積比為5 000 ∶2 800)，建筑用砂粒度為212～850 μm，沖蝕角為90°，轉速為300 r/min，沖蝕時間4 h。表中I、II和III分別表示各因素取不同水平時相應的沖蝕磨損量之和，k1、k2、k3表示不同水平因素下的沖蝕磨損量平均值。R為極差，反映了其影響的作用，極差較大者為重要因素，極差較小者為次要因素。利用正交試驗數據分析方法，分析各個因素(涂層配方)對粉煤灰復合增強涂層耐沖蝕磨損性的影響，進一步確定出耐沖蝕磨損性的最佳涂層配方。

表5 涂層沖蝕磨損量與正交試驗結果及分析Table 5 Results and analysis of erosion wear of coating and orthogonal experiment

圖4為沖蝕磨損失重量與各因素水平的對應關系。從圖4可以看出，隨著涂層配方中Al含量的增加，沖蝕磨損失重量呈先增后減的趨勢。因為當Al含量不斷增加時，粉煤灰復合增強涂層中產生較多的硬質陶瓷顆粒相(如部分Al原子與O原子可以形成高硬度的Al2O3)，使其耐沖蝕磨損性提高。對B2O3而言，當B2O3含量不斷增加時，沖蝕磨損失重量呈先減后增的趨勢。這是因為B2O3含量較低時，CaO所提供的游離氧能使B2O3從層狀的[BO3]轉變成架狀的[BO4]，并能與[SiO4]四面體較好融合，使網絡結構更加緊密，導致涂層沖蝕磨損失重量降低；當B2O3含量超過一定值時，CaO提供的游離氧不足，B2O3就會形成層狀的[BO3]三角體結構，會與[SiO4]的架狀結構產生分相，使網絡結構變得疏松[9]，導致沖蝕磨損失重量增加。對于CeO2，可以看出當CeO2含量超過5%時，則沖蝕磨損失重量越來越大。這是因為當加入的CeO2較少時，Ce4+高場強、高配位引起的“積聚”作用使CeO2起到電荷補償的作用，導致SiO2-Al2O3-CaO-MgO玻璃網絡結構強度增大，穩定性增強。當CeO2含量超過一定值時，其起到“斷網”的作用，導致SiO2-Al2O3-CaO-MgO玻璃結構疏松、黏度降低，從而導致沖蝕磨損失重量增加[13-15]。

圖4 沖蝕磨損失重量與各因素水平的對應關系Fig.4 Correspondence between weight loss of erosion and various factor levels

(2)基于涂層熱震性的最佳配方分析

表6為涂層熱震性測試數據及正交試驗情況。以抗熱震性(熱震次數)作為評價標準，數值越大，抗熱震性越好，也側面反映了涂層與基體結合強度越好。根據表6的極差分析數據，粉煤灰復合增強涂層配方對其抗熱震性影響漸弱的最佳配方方案是B2C1A3，即涂層配方質量百分數為：20%B2O3、5%CeO2、20%Al。可以看出，基于熱震性的最佳配方分析結果與基于耐沖蝕磨損量的最佳配方分析所得的涂層配方相同，從兩個評價指標對試驗最佳配方設計的合理性得以證明。

表6 涂層熱震性與正交試驗結果及分析Table 6 Results and analysis of thermal shock and orthogonal experiment of coating

圖5是熱震性綜合平均值與不同配方的對照關系。從圖5中可以看出，Al含量增加，涂層抗熱震性先降后增；而隨著B2O3含量的逐漸增加，涂層抗熱震性先增后降；隨著CeO2含量的逐漸增加，涂層抗熱震性呈現降低趨勢。圖4和圖5的現象可以從化學反應的進度來解釋，合適的反應物配比，不僅能獲得表面致密的涂層，而且有利于涂層中硬質顆粒相的形成，提高了涂層耐沖蝕磨損性和結合強度。

圖5 熱震次數與各因素水平的對應關系Fig.5 Correspondence between numbers of thermal shocks and levels of various factors

另外，根據Hasselman[16]提出的“斷裂開始與裂紋擴展的統一理論”：涂層開裂的臨界溫差ΔTc與涂層裂紋密度N、等效裂紋長度L、常數K1及K2等的關系表達式如下：

ΔTc=K1(1+K2NL3)L-1/2

(33)

由式(33)可知，涂層開裂的臨界溫差ΔTc隨著裂紋密度N或裂紋原始尺寸L的增加而提高，則涂層的抗熱震性也越好。因此，涂層中加入一定量的CeO2時，其微裂密度、裂紋原始尺寸有所增加，使涂層ΔTc提高而使其抗熱震性增加。但當加入過多的CeO2時，微裂紋原始尺寸過大，則使涂層ΔTc大幅度降低，導致涂層的抗熱震性降低。

正交試驗得到的最佳配方處于通過熱力學計算得到的最佳配方范圍之內，這從試驗角度也證明熱力學分析的正確性。反過來，熱力學分析也有助于正交試驗得到最佳的涂層配方。綜上所述，經過熱力學分析與正交試驗，確定了具有最佳耐沖蝕磨損性與熱震性的粉煤灰復合增強涂層配方質量分數為：20%B2O3、5%CeO2、20%Al和55%粉煤灰。

2.3 粉煤灰復合增強涂層形貌分析

圖6為ZG310-570基體表面粉煤灰復合增強涂層的表面形貌。從圖6可以看出，ZG310-570基體表面粉煤灰復合增強涂層呈凹凸不平的片層狀結構，致密性好，存在縱向裂紋、未充分融化顆粒和孔隙。這可能與粉煤灰復合增強涂層優化的配方有關系，即添加的B2O3、CeO2、Al粉有利于跟粉煤灰發生反應形成致密涂層。粉煤灰復合增強涂層中熔化的粉煤灰復合粉末與基體撞擊產生較大塑性變形，且充分鋪展形成致密的片層狀涂層，而部分熔化的粉煤灰復合粉末(表層熔化而芯部未熔化)在基體或噴涂層表面未能完全展開，被包裹在涂層中或形成球狀小顆粒，使其他顆粒形成的孔隙不能得到有效填充，且冷卻時發生收縮使其周圍易形成孔隙或裂紋。

圖6 粉煤灰復合增強涂層的SEM照片Fig.6 SEM image of fly ash composite reinforced coating

2.4 粉煤灰復合增強涂層物相分析

利用X-ray衍射儀對ZG310-570基體表面粉煤灰復合增強涂層進行物相分析，結果如圖7所示。從圖7可以看出，Al2O3衍射峰數量和強度明顯增加，粉煤灰復合增強涂層中還有CeB6、2MgO·SiO2、3CaO·B2O3等新相生成，粉煤灰復合粉末之間發生了較多化學反應，使涂層之間的結合力提高。

圖7 粉煤灰復合增強涂層的XRD譜Fig.7 XRD parttern of fly ash composite reinforced coating

相關研究[17-18]指出，涂層之間發生化學反應有利于提高其結合強度。所以，粉煤灰復合增強涂層產生的新相有利于提高其結合強度、耐磨性、耐蝕性等。另外，粉煤灰復合增強涂層產生的新相與前面通過熱力學分析粉煤灰復合粉末之間可能發生反應的產物一致，也證明了其熱力學分析的可靠性。

2.5 涂層的沖蝕磨損性能

試驗以20%B2O3、5%CeO2、20%Al和55%粉煤灰為配方，采用等離子噴涂在在ZG310-570基體表面制備粉煤灰復合增強涂層。在沖蝕時間4 h、沖蝕角度90°和沖蝕轉速200 r/min、300 r/min、400 r/min時，ZG310-570基體及其表面粉煤灰復合增強涂層的沖蝕磨損失重率如圖8所示。從圖8可以看出，隨著沖蝕轉速的增加，ZG310-570基體及其表面粉煤灰復合增強涂層的沖蝕磨損失重率均呈不斷增加的趨勢，且粉煤灰復合增強涂層的沖蝕磨損失重率增幅較小，即表明粉煤灰復合增強涂層有效提高了基體的耐沖蝕磨損性。這是因為粉煤灰復合涂層中加入CeO2和Al粉等產生了Al2O3、CeB6、CaO·6Al2O3等新相，骨料不僅細化了晶粒，促進粉末之間的化學反應，獲得致密性好和粘結強度高的涂層；另一方面加入的B2O3使粉煤灰復合涂層生成了具有機械強度高、硬度高、抗沖蝕和化學穩定性好的3CaO·B2O3，都有利于提高粉煤灰復合涂層的耐沖蝕磨損性和抗腐蝕能力等。另外，隨著沖蝕轉速的增加，固體沙粒的沖擊能增加，且腐蝕對沖蝕磨損起促進作用，減弱了基體腐蝕物和粉煤灰復合增強涂層片層之間的依附作用，加快去除因腐蝕而在表面產生的腐蝕產物，導致沖蝕磨損失重率加大，但粉煤灰復合增強涂層耐沖蝕磨損性高于基體，故其沖蝕磨損失重率較小。

圖8 ZG310-570基體和表面增強涂層的沖蝕磨損性能Fig.8 Erosion wear properties of ZG310-570 substrate and surface reinforced coating

經計算可知，在沖蝕時間4 h、沖蝕角度90°和沖蝕轉速200 r/min、300 r/min、400 r/min時，ZG310-570基體的沖蝕磨損失重率分別為12.042 5 g/(m2·h)、21.985 0 g/(m2·h)、36.607 5 g/(m2·h)，ZG310-570基體表面粉煤灰復合增強涂層的沖蝕磨損失重率分別為0.59 g/(m2·h)、0.98 g/(m2·h)、1.58 g/(m2·h)，其相對耐沖蝕磨損性比基體分別提高了20.41倍、22.43倍和23.17倍。

3 結 論

(1)通過對粉煤灰復合粉末進行熱力學分析，粉末之間可能發生的反應如下：22Al+10B2O3+3CeO2+3SiO2+7CaO+2MgO=5Al2O3+3CeB6+3CaO·B2O3+3CaO·2SiO2+2MgO·SiO2+CaO·6Al2O3。

(2)經過熱力學分析和正交優化試驗可知，具有最佳耐沖蝕磨損性與熱震性的粉煤灰復合增強涂層配方質量分數為：20%B2O3、5%CeO2、20%Al和55%粉煤灰。

(3)掃描電鏡分析表明，粉煤灰復合增強涂層呈凹凸不平的片層狀結構，致密性好，存在縱向裂紋、未充分融化顆粒和孔隙；XRD分析表明，粉煤灰復合增強涂層有Al2O3、CeB6、2MgO·SiO2、3CaO·B2O3等新相生成，與熱力學分析結果一致。

(4)在沖蝕時間4 h、沖蝕角度90°和沖蝕轉速200 r/min、300 r/min、400 r/min時，粉煤灰復合增強涂層的相對耐沖蝕磨損性比ZG310-570基體分別至少提高了20.41倍、22.43倍和23.17倍。