兰新高铁是丝绸之路经济带上一条重要的交通枢纽,途径平原、戈壁、沙漠、风沙区等不同地带,这种复杂环境对铺设在沿线的高铁钢轨带来了不小挑战。高铁运行时,钢轨不但受到常规的冲击、磨损、疲劳,还要经受该区域特殊的气候环境。巨大的昼夜温差使钢轨表面滋生裂纹,雨水的反复冲蚀使钢轨表面产生蚀坑,加剧了钢轨的老化。风沙冲蚀是兰新线上钢轨要面临的又一难题,它不但会冲蚀钢轨的底座和轨头,而且冲坑里填满了细小沙粒,这加剧了钢轨的磨粒磨损。所以,采用激光熔覆技术对高铁钢轨进行强化研究,增加其在恶劣环境下的耐磨、耐蚀、抗冲击能力,将有利于提高高铁运行的平稳和安全,对于保障丝路运输具有一定的现实意义。论文采用光纤激光器进行钢轨的强化试验。首先,在钢轨试件表面完成了激光熔凝工艺试验,并对它的内部结构和显微硬度做了分析,其次,在试件表面激光熔覆了Ni/WC合金,优化了其工艺参数,并用OM、SEM、EDS、等仪器对其内部结构进行了观察,最后,用磨损机和风沙冲蚀设备对熔覆层和基体分别做了磨损和冲蚀,观察了表面形貌。通过上述试验,得出以下结论:1、激光熔凝参数为1300W、扫描速度为4mm/s、离焦量为8mm时,熔凝效果最佳,硬度为1013HV,达到了最大值。测量发现,熔凝区显微硬度是基体的3.6倍,在该条件下,激光功率超过1100W时,钢轨试件都产生熔凝区。2、通过单道激光熔覆正交试验,获得钢轨激光熔覆的最佳工艺参数组合为激光功率1500W、移动速度6mm/s、送粉速度1r/min、离焦量0mm,通过做极差,得出影响因子对熔覆层外貌的影响情况为:试验参数对单道熔覆层宽度由大到小的影响顺序为,送粉速度>移动速度>离焦量>激光功率,即送粉速度对熔覆层宽度的影响最大,送粉越多,熔覆层宽度增加的越明显,而激光功率的变化对熔覆层宽度的影响最小。工艺参数对熔覆层高度的影响情况为,送粉速度>移动速度>激光功率=离焦量,送粉速度的大小对熔覆层的高度起绝对性的作用,送粉越多,熔覆层的堆积的越多,从而使熔覆层的高度增加。激光功率和离焦量对熔覆层高度的影响基本一致。参数因子对裂纹影响的先后顺序为,送粉速度>激光功率>移动速度>离焦量,即送粉速度的变化对裂纹生成最为敏感,离焦量的大小对熔覆层裂纹的影响不大。3、以50%的搭接率在钢轨表面熔覆厚度为1mm的熔覆层,其表面光滑,无裂纹、气泡、杂质等缺陷。显微镜下观察,发现熔覆层与基体之间有一条亮带,稀释率为14.8%,并且,在相变区中出现了渗析元素,说明熔覆层与基体是冶金结合,结合强度高。熔覆层内部分为四个区域,分别为熔覆层、基体熔化区、相变区、基体,熔覆层内部主要是枝状晶体,且离基体越近,晶体的主晶越大,在上面出现二级枝晶。在熔覆层内部存在一些未完全熔化的WC颗粒,其周围附着非常细小的枝状晶体,细化了组织,增加了熔覆层的强度。4、试件磨损和风沙冲蚀试验发现,基体的磨损量是熔覆层的5-10倍,而熔覆层的冲坑明显小于基体的冲坑,其表面的耐磨耐冲蚀性能得到了极大的提升。