随着中国高速铁路的快速发展,列车车轮长期处于高负荷运行状态下出现的车轮磨耗及损伤等问题,增加了铁路运营成本,影响了列车舒适度及平稳性,危害了列车行车安全。每年铁路部门均要花巨资对轮轨进行维修或更换。因此开展高速列车车轮防损对策研究,不仅能改善列车运行的舒适度及平稳性,增加列车行车安全,还能极大的降低铁路运营成本。本文自行设计了一种自熔性铁基合金粉末作为熔覆材料,利用LDM2500-60型半导体全固态激光器,通过正交试验,优化熔覆工艺参数,在高速列车车轮材料试样表面进行激光熔覆梯度涂层试验。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、洛氏硬度计、显微硬度仪、摩擦磨损试验机等测试设备,系统分析了激光熔覆处理前后高速车轮材料(ER8)、钢轨材料(U75V)的组织成分、硬度、摩擦系数、磨损量及摩擦磨损形貌等情况。得出的主要结论如下:1、最佳工艺参数为:激光功率1.8KW、扫描速度300mm/min、送粉速率20g/min,搭接率40%。在此工艺参数下熔覆层表面形貌较好,单道熔覆层厚度在1.5mm左右,熔覆层稀释率约为13%,熔覆层无气孔、裂纹且与基体呈冶金结合。在最优激光工艺参数下,对比不同合金粉末的单道熔覆层与基体结合区的形貌、结合强度、熔覆层表面硬度,确定选择粉末编号F-2作为梯度涂层的第一层,F-3作为梯度涂层第二层,F-4作为梯度涂层第三层。2、梯度涂层中各搭接区存在较大颗粒的胞状晶,上下层搭接区域的结合区及热影响区厚度较大。通过EDS能谱仪发现梯度涂层中由于各层合金粉末不同,熔覆层上部的Cr、Ni等元素较熔覆层下部多,梯度涂层搭接区中颗粒较大的胞状晶中Cr、Ni、Mn等元素含量明显降低,基体中Cr、Ni、Mn等元素含量明显增加。通过XRD衍射仪分析发现梯度涂层由大量的γ-Fe固溶体,Fe3C、Cr7C3和Mn7C3碳化物,硼化物和金属间合金等组成。3、梯度涂层的显微硬度分布较单道熔覆层的显微硬度分布有较大改善,梯度涂层的显微硬度从表面至基体持续平缓降低,未出现像单道熔覆层中的台阶状下降。这是由于熔覆过程中基体及各层熔覆层均存在元素的扩散,同时由于存在搭接区域,搭接区受到激光重熔,组织较为粗大,使得硬度降低,减小了各熔覆层之间的硬度差。梯度熔覆层显微硬度在450HV左右,较未处理车轮试样提高约50%。轮熔覆的摩擦副相比于未熔覆的摩擦副的摩擦系数降低,总磨损率降低58.56%,钢轨副磨损率降低31.41%,车轮副的抗磨性能提升约5.5倍,抗磨性能大大提高。未熔覆摩擦副的车轮试样表面存在大量蚀坑并伴随着较多的片状剥落,剥离现象较严重,与之对磨的钢轨试样表面存在较多蚀坑,并伴有少量犁沟和片状剥削,未熔覆摩擦副的钢轨的磨损机制为粘着磨损及磨粒磨损。轮熔覆摩擦副的轮轨试样表面磨痕主要为少量的犁沟,损伤较轻微,与之对磨的钢轨试样磨损形貌也得到一定的改善,主要磨损机制为磨粒磨损。