随着我国服役动车组列次逐年增多,车轮损伤尤其是踏面损伤问题日益突出。高速列车车轮损伤机理和提高车轮材料的耐磨性能已经成为铁路科技工作者研究的重点。对高速列车车轮材料表面进行激光熔覆试验研究,提高车轮材料的摩擦磨损性能以降低磨耗和伤损,对我国高速铁路的发展具有很重要的经济价值和现实意义。论文首先对某一既有线路运营动车组进行跟踪磨耗测试,并进行现场采集损伤车轮样本,通过对踏面磨耗统计数据和损伤样本分析,研究了高速列车车轮踏面损伤机理;利用半导体全固态激光器在高速列车常用车轮材料ER8钢表面进行激光熔覆处理,并对熔覆层进行显微组织观察、物相分析和显微硬度测试,利用摩擦磨损试验机进行模拟轮轨对磨研究熔覆处理后车轮钢材料的磨损性能,最后通过正交试验分析获得磨损性能最优的激光熔覆工艺参数。研究的主要结论如下:(1)不同运行里程下车轮踏面的磨耗跟踪测试发现踏面磨耗随着运营里程的增加而增大,并且在26.1万公里后有剧烈增加的趋势。通过SIMPACK软件模拟不同运行里程下的轮轨接触几何关系,分析踏面磨耗存在三个阶段,并在23.2万公里后踏面产生剧烈磨耗,易产生接触疲劳。(2)高速列车车轮踏面的损伤主要源于圆周磨耗、滚动接触疲劳和制动这三个方面。圆周磨耗会引起车轮踏面外形的变化,从而导致轮轨型面不匹配,进而改变轮轨接触几何关系;滚动接触疲劳损伤会导致疲劳裂纹和剥离掉块的产生;制动会产生热剥离和热裂纹,紧急制动可能还会产生踏面擦伤。这三类损伤在车辆运行时并不是独立存在,而是互相影响的。(3)通过激光熔覆试验,获得了与ER8钢表面成良好冶金结合的Fe基熔覆层,熔覆层组成相主要包括基体相γ-Fe和硬质碳化物Cr7C3及Mn、Mo、Ni等合金元素的化合物,这些化合物在熔覆层中与γ-Fe形成置换固溶体,大大增加了熔覆层的强度。熔覆层凝固组织由里到外分为平面晶区、柱状树枝晶区、胞状晶区、等轴树枝晶区,这些结晶组织形态的形成是由温度梯度/凝固速率(G/R)决定的。(4)通过对比试验研究激光功率P、激光扫描速度vs、送粉速率vf对熔覆层组织和性能的影响,可以得出结论:显微硬度和耐磨性随着这三个工艺参数的增大均呈现先增大后减小的趋势,其中扫描速度对熔覆层的性能影响最大,激光功率次之,送粉速率最小。(5)通过正交试验并以PD3钢轨材料为对磨材料进行摩擦磨损分析测试各组试样,得出熔覆层综合性能最好的试验工艺参数:激光功率P=1.6kW、激光扫描速度vs=400mm/min、送粉速率vf=20g/min,获得的熔覆层显微硬度值为444HV,相对耐磨性高达2.1,且模拟轮轨摩擦副的磨损量最少。