随着我国高速列车速度和重载列车载重的不断提升,轮轨摩擦副的损伤越来越严重,不仅大大增加了铁路运输成本,更严重影响了铁路运输安全,钢轨的延寿问题越来越突出。众所周知,钢轨的服役寿命不仅取决于其表面耐磨性,还和其接触疲劳强度有关。为了兼顾滚动接触疲劳特性,现有的技术标准都将钢轨的硬度限制在HB400以下,轮轨摩擦副长期在低硬度条件下运行,使用寿命偏低。本文首先研究了激光全面积淬火和激光熔凝淬火技术对钢轨滚磨试样耐磨性和疲劳性的影响。结果表明,U71Mn钢轨试样经过激光表面淬火强化后,其显微硬度从HV300显著提高到HV750~850,可以大幅度提高耐磨性,但硬化区内的主裂纹有可能因为接触疲劳过程而引起钢轨断裂。因此,激光全面积淬火不能够应用于钢轨强化。当采用激光熔凝淬火时,表面发生熔化,粗糙度变大,而且易在熔凝区出现裂纹等冶金缺陷,同样也不适用于钢轨的表面强化。为了提高耐磨性的同时,保留钢轨原有的韧性,我们提出了激光表面复合化技术,即利用平衡组织将硬化点进行阵隔离的方式对钢轨表面进行强化。系统研究了激光点阵复合化工艺参数对硬化层深的影响规律。通过滚动接触疲劳与磨损试验,证明了激光表面复合可以在提高钢轨耐磨性的基础上,使得钢轨的强韧性得以兼顾,避免了接触疲劳裂纹向基材底部方向扩展,从而大幅度提高钢轨的使用寿命。这一结论突破了此前全球范围内公认的钢轨表面不能存在马氏体组织的“禁区”,为大幅度延长钢轨的使用寿命开辟了一条新的道路。在以上研究的基础上,为了解决传统的单次激光淬火方法实现激光表面复合化时,淬火效率低、功率密度低的问题,本文在国内外首次提出重复扫描激光淬火方法,即通过振镜的高速偏转实现对加工单元的多次扫描,将现有的单次激光淬火工艺转变为重复扫描激光淬火工艺。研究了不同工艺参数对重复扫描激光淬火硬化层深度和表面形貌的影响规律,并通过数值模拟的方法再现了试样表面和内部的温度场随时间的变化。结果表明,重复扫描激光淬火增加了高功率密度下的硬化层深,不仅突破了传统单次激光淬火条件下的功率密度限制,还能显著提高激光表面复合化的效率（7~13倍）;通过数值模拟得到了工件表面及内部的温度循环曲线,揭示了重复扫描激光淬火硬化层提高的机理。最后,根据铁标“TB/T 1632”对激光表面复合化钢轨实物进行了弯曲疲劳试验,结果表明,激光表面复合化的钢轨弯曲疲劳性能不亚于未处理钢轨,甚至在加载力提高了8.5%以后仍能通过检验;试验后钢轨表面无宏观和微观裂纹,加载区的显微硬度无明显改变。线上考核也表明,采用激光表面复合材料化方法的钢轨,其使用寿命比未经激光处理的提高了2.2~3.5倍,在重载线路上单次激光处理的服役寿命最高可达10.5倍。通过本文的研究,成功解决了激光强化延长钢轨使用寿命的关键技术难题,突破了钢轨表面不能存在马氏体的限制,并通过重复扫描激光淬火大幅度提高了激光表面复合化的加工效率,为进一步工程化应用奠定了技术基础。