《Applied Surface Science》：Enhanced wear resistance of 20CrMnTi steel by ultrasonic shot grinding peening with an AlN-modified layer
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20CrMnTi合金钢表面采用超声冲击磨料喷丸（SGP）技术制备AlN增强层，显著提升高温磨损性能。微观分析显示梯度位错结构和Al?O?富集氧化物膜协同作用，使25℃和200℃下的磨损率分别降低80.1%和67.3%。该研究为极端工况下齿轮材料改性提供新方法。
唐功斌|华宇波|杨金峰|郭武|陈家峰|陈晓丽|高凤宏|程志涛|谢学莲|薛金鑫|梁中伟
广州大学机电工程学院，中国广州510006
摘要
20CrMnTi合金钢广泛用于传动轴和齿轮等关键部件。然而，在受到冲击载荷和高温等极端工作条件的影响下，它极易发生磨损失效，这大大缩短了其使用寿命。为了解决这一问题，采用了一种称为超声波喷丸强化（SGP）的表面改性技术，在20CrMnTi合金表面形成了AlN增强层。摩擦学测试表明，经过SGP处理的样品表现出优异的耐磨性，在25°C和200°C下的平均磨损率分别比未经处理的样品降低了80.1%和67.3%。显微分析显示，这种耐磨性能的提升是由于位错梯度和富Al2O3氧化膜的协同作用所致。本研究不仅证明了AlN作为耐磨涂层的有效性，还为提高20CrMnTi合金钢的摩擦学性能提供了一种可行的方法。
引言
风能是一种可持续且对环境友好的能源，正受到全球越来越多的关注[1]、[2]、[3]、[4]。齿轮箱是风力涡轮机的核心部件，对于将风能转化为电能至关重要。在长期运行过程中，其内部温度可达到200°C[5]，这经常导致齿轮和轴承等关键部件出现疲劳磨损、开裂和粘附等故障[6]、[7]、[8]、[9]。这些故障严重影响了设备的使用寿命。在恶劣的海上环境中，维护所需的长时间停机会导致巨大的经济损失[10]、[11]。因此，提高齿轮材料的摩擦学性能对于减少故障的发生至关重要。20CrMnTi合金钢因其高淬透性和良好的韧性而被广泛用于风力涡轮机齿轮箱的制造[12]。然而，随着对发电部件性能要求的不断提高，这种材料较差的耐磨性已成为限制其广泛应用的一个瓶颈。
有多种表面处理技术可用于提高20CrMnTi钢的摩擦学性能。Hong等人[13]利用激光辅助渗碳-磨削工艺在钢材表面生成了颗粒状碳化物，从而提高了其硬度和耐磨性。类似地，Kong等人[14]在20CrMnTi表面制备了深梯度层，其耐磨性比传统热处理样品高出1.8至6倍。另一项研究中，Jia等人[15]表明，激光表面纹理处理使20CrMnTi的磨损深度降低了33.5%。尽管激光表面熔化和热喷涂等表面改性技术在提高耐磨性方面取得了显著效果，但它们复杂的工艺和高成本严重阻碍了实际应用和普及。更重要的是，这些技术也存在某些局限性。热喷涂涂层通常具有较高的孔隙率和严重的氧化问题，这可能导致在重载下涂层开裂[16]、[17]。虽然激光表面熔化可以形成硬化层，但强烈的热循环不可避免地会导致残余应力的产生，并常伴随热裂纹的形成[18]、[19]。
因此，研究人员转向了更简单、成本更低的表面处理技术，如喷砂[20]、喷丸[21]、[22]和滚压[23]、[24]。这些方法主要通过生成加工硬化表层来提高耐磨性。其中，超声波喷丸（USP）是一种广泛应用的技术，因其低成本、操作简便和高效率而受到重视[25]、[26]、[27]。该工艺通过高频高能球体冲击材料表面，引起严重的塑性变形（SPD）和晶粒细化，从而形成具有高位错密度和增强硬度的表层[28]、[29]、[30]。然而，传统USP带来的性能提升往往以牺牲表面完整性为代价[31]、[32]。研究表明，初始表面状态（例如相对光滑的表面）对摩擦学行为有重要影响[33]。此外，USP产生的表面凹痕在摩擦接触过程中会导致局部应力集中，从而引起摩擦系数的波动。最近的研究表明，在表面掺入陶瓷颗粒可以改善材料的摩擦学性能[34]、[35]、[36]，同时缓解USP引起的表面缺陷[37]。在各种陶瓷颗粒中，氮化铝（AlN）因其高硬度（1400 HV）、出色的耐磨性能和良好的导热性（320 W/(m·K)）[38]、[39]、[40]、[41]、[42]而受到广泛关注[38]、[39]、[40]。先前的研究已经证实，引入分散良好的AlN颗粒可以有效提高耐磨性[43]、[44]。然而，现有工作主要集中在等离子喷涂或将AlN与其他粉末共沉积制备涂层的技术上。因此，将更简单、更高效的表面技术应用于20CrMnTi基底以改善耐磨性的研究仍然相对较少。
本研究介绍了一种新方法，通过超声波喷丸将氮化铝（AlN）颗粒整合到20CrMnTi表面，以在室温和高温条件下提高其摩擦学性能。通过全面的摩擦学测试和微观结构表征，评估了耐磨性并揭示了其背后的强化机制。该研究为显著提高20CrMnTi钢的摩擦学性能提供了基础理解和有效途径。
样本制备
基底材料为退火的20CrMnTi合金钢（表1）。材料制备包括熔炼和铸造、表面预处理、热轧，然后进行退火以优化微观结构。使用线切割电火花加工从钢板中加工出尺寸为30 × 30 × 5 mm3的样品。在测试之前，所有样品均经过逐步机械研磨和SiC砂纸（从80到2000目）抛光处理。
微观结构
图2a-c展示了三种样品组在摩擦学测试前的初始表面形态。用2000目砂纸打磨的UP样品表面相对光滑，没有明显的划痕（图2a）。经过超声波喷丸处理后，USP样品（图2b）表面出现了明显的凹痕和层状堆积，这是由于表面材料在严重塑性变形后的压实作用所致。相比之下，SGP样品则表现出
结论
为了提高20CrMnTi钢的耐磨性，通过SGP在其表面制备了AlN改性的复合强化层。进行了系统的摩擦学测试和分析，以评估25°C和200°C下的摩擦学性能改进情况。主要发现如下：
- (1).
SGP工艺形成了22 μm厚的AlN改性层，该层具有位错梯度和表面微凹痕特征。通过晶粒细化和位错密度的增加，硬度得到了提高，
CRediT作者贡献声明
唐功斌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念构思。华宇波：撰写 – 原稿，方法学，概念构思。杨金峰：撰写 – 原稿，形式分析，数据管理。郭武：可视化，概念构思。陈家峰：研究。陈晓丽：方法学，概念构思。高凤宏：方法学，数据管理，概念构思。程志涛：方法学，研究。谢学莲：验证。薛金鑫：方法学，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢以下机构的财政支持：国家自然科学基金（52405179和52575615）、国家重点研发计划（2023YFD2101004、2024YFD2100203）、广东省自然科学基金（2023A1515110290、2023A1515011723、2024B1515120041）、中国高等学校产学研创新基金项目（2023KY017）以及广东省高等教育重点领域的专项研究项目
