我国铁路进入高速发展新时期,减少钢轨损伤并提高寿命愈渐重要,成为铁路科技中持续研究的热点课题。本文从U75V钢轨表面离散淬火和钢轨表面熔覆两个角度研究了新型层流等离子体强化U75V钢轨的实际效用。通过对U75V钢轨表面离散淬火后显微组织、硬度分布以及疲劳裂纹的研究,分析了离散淬火对于提高钢轨性能和使用寿命的作用;通过研究不同预热/熔覆后等温温度对熔覆强化后钢轨的显微组织和力学性能的影响,获得优化的表面熔覆工艺参数,同时从显微组织、硬度、抗拉强度、连接强度、耐磨性、耐蚀性角度对比分析了激光和层流等离子体表面熔覆的区别。主要成果如下:研究层流等离子体离散淬火后的物相分布和硬度分布,发现淬火后的珠光体转变为了具有高强度和一定韧性的隐晶马氏体,淬火热影响区和珠光体基体的分界面犬牙交错,其硬度分布与物相分布具有高度的一致性,马氏体的硬度达到920 HV,珠光体基体的硬度在350 HV左右。经离散淬火的钢轨在实际上道使用后,寿命显著提高。对到达服役期限的钢轨分析发现,疲劳裂纹基本都萌发于淬火区内,裂纹深而多,而离散淬火点之间的基体上的裂纹浅而少。这表明层流等离子体离散淬火技术能够延迟裂纹出现、缓解裂纹在基体的扩展使钢轨使用寿命获得提升。通过研究不同预热和冷却方式下,熔覆层与基体的结合质量以及热影响区的物相组成,发现选用铜板恒温加热平台对基板进行预热和熔覆后等温处理的工艺,符合对钢轨整体性能的要求;确定了采用铜板加热平台预热+熔覆后等温处理的方式,于不同温度下在钢轨表面采用层流等离子体进行表面熔覆的研究。结果表明预热/熔覆后等温处理温度为340°C,转移弧电流60 A,运动速率1.0 mm/s,主气流量2.4 L/min,保护气流量3 L/min,粉末盘电压3 V,送粉气流量0.144 m3/h,扫描间距4 mm,发生器距离基板的距离10 mm的工艺参数组合能获得与基体结合良好的熔覆层,连接强度为733.82MPa。所获得的熔覆层综合力学性能和耐腐蚀性能均取得不错的效果,其中熔覆层的抗拉强度达到1166 MPa,自腐蚀电压为-0.384 V,自腐蚀电流密度为3.885(10-6A/cm2)。在340°C下处理的试样的综合性能最佳。对比了层流等离子体和激光表面熔覆后试样的显微组织和力学性能,发现层流等离子体熔覆层的马氏体含量略低于激光熔覆层中马氏体的含量,这在一定程度上导致其耐蚀性和耐磨性能略好于激光熔覆的熔覆层,另外在连接强度和抗拉强度上,层流等离子体表面熔覆的试样也要略优于激光熔覆的试样,但差距均不大。