在铁路运输重载化、高速化的发展趋势下,载运工具对铁路道岔的挤压、冲击越发严重,道岔关键轨件易出现磨损、断裂等损伤而过早失效。应用功能梯度理念,制备适用于道岔关键轨件的高耐磨、抗冲击功能梯度材料,具有重要研究意义。本文采用“预热+激光沉积+在线等温淬火”工艺制备了贝氏体钢基体材料、WC/贝氏体钢复合材料,并利用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS),研究了激光沉积方式对贝氏体钢微观组织的影响、WC含量对复合材料微观组织的影响;通过维氏硬度测试、磨损性能测试、冲击韧性测试,研究了激光沉积方式对贝氏体钢力学性能的影响、WC含量对复合材料力学性能的影响。根据上述实验结果,合理地设计了功能梯度材料的成分,并采用不同的热处理工艺对制备的功能梯度材料进行等温淬火处理,研究了等温淬火工艺对功能梯度材料组织及性能的影响,优化了热处理工艺。主要得出以下结论:(1)激光单层沉积制备贝氏体钢时,激光作用时间短,材料的贝氏体相变主要在后续等温淬火过程中发生,从而生成下贝氏体组织,材料的平均硬度(430HV0.2)较高,耐磨损性能是基板的2.2倍;激光多层沉积制备贝氏体钢时,激光作用时间长,激光沉积过程中材料也会发生贝氏体转变,主要生成了粒状贝氏体、下贝氏体混合组织,材料的平均硬度(336HV0.2)高于基板(285HV0.2),耐磨损性能是基板的1.4倍,冲击韧性是基板的4倍。多层沉积制备的贝氏体钢具有较高的冲击韧性,可作为功能梯度材料的芯部韧性层。(2)WC含量主要是影响复合材料的相变过程,随WC含量的增加,复合材料中贝氏体含量减少、块状马氏体/奥氏体混合组织增多,且逐渐生成了呈连续网状分布的莱氏体组织,莱氏体尺寸也逐渐增大;随WC含量的增加,复合材料的硬度逐渐增大,耐磨性先升高后降低,冲击韧性逐渐恶化。其中,5vt%WC/贝氏体钢复合材料平均硬度为461HV0.2,耐磨损性能是基板的2.8倍,冲击韧性是基板的1.8倍,可作为功能梯度材料中部过渡层,10vt%WC/贝氏体钢复合材料平均硬度为493HV0.2,耐磨损性能是基板的4.2倍,冲击韧性与基板相当,可作为功能梯度材料表面耐磨层,另外,WC含量为15vt%、20vt%时,复合材料的硬度及耐磨性较基板有大幅提高,但冲击韧性已严重恶化,不适用于功能梯度材料。(3)等温温度对功能梯度材料的组织与性能影响较大,而等温时间对其影响较小。功能梯度材料经300℃-2h等温后,微观组织及力学性能最为理想,韧性层、过渡层、耐磨层组织分别为:粒状贝氏体+下贝氏体+M/A组织、下贝氏体+M/A组织、M/A组织+下贝氏体+莱氏体,材料整体的硬度呈现梯度变化的趋势,耐磨性是基板的4倍,冲击韧性是基板的3倍。