本文基于航空主轴轴承材料中应用最广的M50钢为研究对象,结合磁控溅射和强流脉冲电子束对其进行表面合金化处理,以提高轴承在极端环境下的服役寿命。通过研究电子束表面合金化处理层的不同形貌成因以及显微结构特征,揭示了合金化层内非平衡态凝固过程以及纳米颗粒析出强化机制,为该技术的广泛应用和深入研究提供了理论基础,并最终实现在M50钢表面制备出高硬度、低摩擦系数和耐腐蚀性合金化层。经过电子束表面合金化处理后,合金化层表面形貌对合金化参数和预沉积层种类尤为敏感,并在合金化层表面形成了分层、裂纹和表面熔坑等多种形貌。其形成原因主要包括三个因素:预沉积层与M50钢基体热物性的差异、辐照能量在次表层的累积和合金化层内中间产物的析出,其中部分形貌的形成是由于多个因素的综合作用。针对不同种类的预沉积层,通过控制辐照次数、能量密度和预沉积层厚度,提高合金化层表面的质量,并得到最优的电子束合金化工艺参数。经过合金化处理后,预沉积层和M50钢基体混合熔化达到冶金结合,试样表面出现了明显的合金化“白亮层”,其厚度约为4-6μm,次表层为热影响区厚度约10-20μm,主要由细小的片状马氏体和碳化物颗粒组成。合金化参数对合金化层的显微结构有较大影响,并在内部出现多层结构。Ta合金化层由表至里依次为δ-Fe相和马氏体,在表层δ-Fe晶粒内出现了大量的富Ta的调幅状和颗粒状结构。Cr合金化层由表至里依次为Fe-Cr固溶体、奥氏体和马氏体,在Fe-Cr固溶体内,同样出现了明显的调幅状结构,且局部区域出现非晶结构。在凝固界面移动速率、温度梯度、过冷度和溶质浓度的共同作用下,电子束合金化结束后凝固界面以平面状、胞状,再回到平面状呈现。在凝固后,合金化层内固相中通过原子的短程扩散偏聚而产生纳米级调幅状结构。合金化层中的纳米级调幅状结构在回火过程中为碳化物颗粒析出与长大提供有利环境。回火过程中,由于在合金化层中调幅状结构处存在大量缺陷,为碳化物的形核提供理想位置,同时调幅状结构处富集的合金元素也为碳化物的形核与长大提供物质来源,因此在Ta和Cr合金化表层分别析出了的碳化物颗粒Ta C和M23C26,其约为几纳米,且与基体分别存在[011]δ-Fe//[001]Ta C和[113]FeCr//M₂3C₆[122]的取向关系。经过表面合金化和后续回火处理后,合金化层表面硬度、耐摩擦性能和耐腐蚀性能较原始M50钢均有明显提升。合金化层表面硬度较原始M50钢基体有小幅度下降,但通过后续回火处理在表层析出纳米级碳化物颗粒,提高了合金化层表面硬度,其中回火后Ta和Cr合金化层的最大硬度分别达到17.3GPa和18.2GPa。通过分析得到了表层硬度与回火参数的函数变化关系。合金化试样的表层和次表层均呈拉应力状态,其表层拉应力值约700 MPa。回火处理后,表层拉应力值大幅度降低,甚至已转为压应力状态。在摩擦磨损过程中在磨损表面形成了低摩擦系数的氧化物,起到固体润滑剂的作用,降低了合金化层的摩擦系数。在腐蚀过程中合金化层内固溶态的合金元素有利于钝化层的形成,腐蚀电位大幅度提高,在盐雾和盐水浸泡中的耐腐蚀性能均有显著提升。因此,强流脉冲电子束表面合金化技术有效提高了M50钢表面的综合性能,可用于在极限服役条件下的轴承零件表面处理,为提高轴承服役寿命和可靠性提供技术途径。