《Surface and Coatings Technology》：Enhancement of dry sliding wear resistance in wire arc additive manufactured 304 stainless steel via gradient nanostructure generated by surface mechanical attrition treatment
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304不锈钢激光增材制造表面机械 attrition 处理时效对梯度纳米结构层形貌及干滑动磨损行为的影响规律及机制研究。摘要：
董航|王勇|王志伟
东北石油大学机械科学与工程学院，中国大庆市发展路199号，163318
摘要
本文系统研究了表面机械磨损处理（SMAT）时间（15分钟/30分钟/45分钟/60分钟）对WAAM-304不锈钢微观结构演变和干滑动摩擦学行为的影响。结果表明，在严重的塑性变形条件下，SMAT处理会诱导WAAM-304不锈钢从奥氏体（γ）相转变为马氏体（α′）相，并在表面和次表面区域形成梯度纳米结构层（GNS）。此外，GNS的厚度随着处理时间的延长而逐渐增加。这与机械孪晶作用和位错缠结的相互作用密切相关，这种相互作用促进了晶粒的细化。摩擦学性能分析表明，磨损疤痕深度、平均摩擦系数和磨损率都显著依赖于SMAT处理时间和施加的载荷。特别是，在50牛顿的载荷下，SMAT处理60分钟的样品表现出最佳的耐磨性能。随着载荷的增加，磨损机制从最初的直接犁切作用逐渐发展为层间磨损和三体磨损，最终发展为疲劳剥落和磨料磨损的结合。
引言
工程部件的使用寿命往往受到其表面性能的限制。诸如应力集中、疲劳裂纹萌生和摩擦引起的磨损等失效模式大多起源于表面，并逐渐向材料内部传播，最终导致材料机械性能的下降和功能失效。为了解决这一常见问题，出现了各种表面改性技术。其中，表面机械磨损处理（SMAT）作为一种高效的表面纳米结晶技术，利用高速弹丸以极高的应变率（10^2–10^3 s^-1）反复冲击材料表面，从而引起严重的塑性变形。因此，在表层形成了梯度纳米结构（GNS），以保护材料[1]、[2]。在不改变材料固有化学成分的情况下，这种结构通过生成高密度位错网络、机械孪晶和变形诱导的相变显著提高了表面强度和硬度。同时，引入了有益的残余压应力层，有效抑制了裂纹的萌生和扩展。因此，在保持材料延展性的同时，其耐磨性和疲劳寿命得到了显著提高。目前，SMAT工艺已在多种材料系统中显示出优异的强化效果，如钛合金[3]、[4]、铝合金[5]、[6]、纯铁[7]、[8]、镁合金[9]、不锈钢（SS）[10]、[11]和碳钢（CS）[12]。在众多工程材料中，奥氏体304不锈钢（304 SS）因其优异的耐腐蚀性、良好的韧性和耐磨性，被广泛应用于汽车、核能和航空航天行业[13]。然而，由于对高性能耐磨部件的需求不断增加，其相对较低的硬度和耐磨性限制了其在高速和高载荷摩擦学场景中的应用。通过线弧增材制造（WAAM）技术制造的304 SS部件，由于快速原型制造的优点，在一定程度上通过快速凝固和原始晶粒的细化提高了硬度。尽管如此，这种提高仍然有限，难以满足日益严格的耐磨性要求。将SMAT技术应用于WAAM-304 SS有望通过表面纳米结晶实现性能上的突破。在SMAT过程中，GCr15轴承钢球在高频超声波的驱动下反复冲击WAAM-304 SS基材。这些高速冲击产生的热量促进了表面和次表面层的自组织，导致连续的断裂和冷焊，从而引起严重的塑性变形。这一过程不仅将晶粒细化到纳米尺度并形成梯度结构层，还诱导了WAAM-304 SS中的奥氏体（γ）→马氏体（α′）相变，该相变的堆垛错能（SFE）较低[14]、[15]。这种梯度结构层可以有效抑制应变局部化，改善应力分布，并与基材实现冶金结合，避免了传统涂层技术中常见的界面兼容性问题。
先前的研究表明，SMAT的强化效果强烈依赖于其工艺参数。表面晶粒的细化程度、变形层的深度以及变形诱导的α′相含量受到球体属性（直径、数量和速度）[14]、[16]、腔室内间隙[17]和振动频率[10]等因素的显著影响。此外，处理温度也是其强化能力的关键因素。赵等人[18]比较了在室温和低温下处理时间从10秒到60秒对微观硬度和拉伸性能的影响。他们发现，在-160°C下显著加速的应变诱导α′相变过程是屈服强度增加的主要原因。Talonen等人[19]进一步指出，相变机制与材料的SFE密切相关：对于SFE较低的材料，塑性变形路径通常是γ→ε→α′和机械孪晶；而对于SFE较高的材料，随着变形的进行，只形成位错胞和位错缠结。SMAT诱导的GNS已被证明可以显著改善材料的摩擦学性能。罗等人[20]在AISI 316L SS上制备了GNS，该GNS由超细纳米晶体、纳米晶体、超细晶粒和粗大亚晶粒组成。表面硬度达到了4.87 GPa，耐磨性提高了41.4%，他们将其归因于硬化层对塑性犁切的有效抑制。孙等人[21]研究了AISI 304 SS在不同接触载荷下的滑动磨损行为，无论是润滑还是非润滑条件。从诱导塑性变形和性能变化的角度来看，他们发现SMAT处理在油润滑条件下表现出更好的耐磨性。尽管现有研究已经证实了SMAT在改善材料表面性能方面的巨大潜力，但其在干滑动磨损条件下的摩擦学性能提升的微观机制，特别是对于WAAM-304 SS，仍缺乏系统研究。γ→α′相变、位错/孪晶结构的演变、梯度微观结构的形成以及摩擦过程中表面氧化层的自润滑效应之间的复杂协同效应仍需深入解释。
因此，本研究旨在评估SMAT处理时间对不同载荷下WAAM-304 SS干滑动摩擦学行为的影响规律和机制。通过综合使用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等分析方法，系统地表征了从表层到核心的试样微观结构和机械响应。使用往复摩擦磨损测试仪评估了干滑动摩擦学性能。系统比较和分析了摩擦系数（COF）、磨损率、二维/三维磨损形态和碎片特性，揭示了表面GNS特性与材料去除之间的内在关系。此外，构建了微观结构和宏观摩擦学性能之间的相关模型，为高性能WAAM-304 SS表面的设计和优化提供了理论基础。
材料与方法
实验使用了通过线弧增材制造制备的WAAM-304不锈钢，将其切割成直径为50毫米、厚度为3毫米的圆盘。具体的焊接工艺参数参考了我们之前的研究工作[22]。WAAM-304不锈钢的化学成分（重量百分比）列在表1中。在SMAT处理之前，试样表面依次用600#至1500#碳化硅砂纸打磨至一致状态，然后进行超声波清洗。
表面和截面微观形态
图2显示了WAAM-304不锈钢的XRD图谱和低倍率下的截面OM图像。XRD分析结果表明，由于WAAM过程的快速凝固模式和非平衡冷却条件，未经处理的样品可能含有非常少量的α-铁素体（110）。这种残余α是WAAM-304不锈钢的典型微观结构特征，在大约43.5°处产生了一个弱的衍射峰[23]、[24]。在附近观察到一个显著的衍射峰
结论
本研究系统探讨了SMAT处理时间（15分钟/30分钟/45分钟/60分钟）对WAAM-304不锈钢微观结构演变和干滑动摩擦学行为的影响机制。主要结论如下：
(1)SMAT处理显著改变了微观结构和相组成。未经处理的试样主要由α和γ相组成，而在所有经过SMAT处理的试样中都观察到了α′相的形成，且其含量随着处理时间的延长而增加
作者贡献声明
董航：资源提供、概念构思、撰写——审稿与编辑。王勇：监督、资金获取、数据管理。王志伟：撰写——初稿。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了黑龙江省优秀青年教师基础研究支持计划的支持。
