30Cr Mn Si钢具有韧性高、强度高、热淬透性良好等特点,广泛应用于制造轴和齿轮类零部件,工作中常用传统热处理工艺来改善其性能,但仍具有表面硬度差、冲击韧性差、易导致工件变形等缺点。扫描电子束表面合金化技术具有能量利用率高、对工件无污染、工件变形小等优点,采用扫描电子束技术对30Cr Mn Si钢表面进行合金化处理使其获得优良的表面强化层是一种行之有效的方法。本课题以30Cr Mn Si钢为研究对象,用等离子热喷涂技术在其表面制备不同配比的WC-12Co/Ni混合粉末,以及不同厚度的涂层,再利用扫描电子束方法进行表面合金化处理;基于瞬态传热方程建立扫描电子束合金化WC/Ni温度场分析的有限元模型,探究表面合金化过程中不同时刻的温度分布规律;研究了扫描电子束合金化过程中产生的反冲压力、表面张力、金属气化、重力和金属液态动力学压力等对熔池流体流动的影响规律;使用Level-Set方法捕捉自由界面,利用流体传热和层流接口组合的两相流模拟熔池瞬态形成过程,从微观角度分析扫描电子束使涂覆层粉末颗粒与基体熔合过程;通过正交试验法优化涂覆层粉末参数与电子束工艺参数方案,探讨不同工艺参数对试样机械性能的影响。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机分析与测试试样表面与截面显微组织、强化层物相组成、硬度与耐磨性能。讨论了合金层中复合梯度涂层的形成原因及其对性能的影响,探究了合金层中纳米晶粒的形成原因。研究结果表明:扫描电子束可使试样表面瞬间升温达到熔点,使涂覆层粉末与基体钢熔合在一起,扫描电子束能量环可有二次加热的功能,扫描圆环沿电子枪移动方向的前半环先行加热试样,随后圆环的后半环到达前一时刻前半环的作用区域,二次加热该作用区域,并在扫描电子束收束阶段,温度会出现骤升现象。在扫描电子束作用下形成熔池后,材料表面又迅速凝固,工件不会有较大的变形。经扫描电子束合金化处理后,试样截面组织分为合金层、热影响区和基体三部分。合金化层主要由马氏体与莱氏体碳化物组成,其显微硬度可达1121.3HV0.2,合金层显微组织呈复合梯度,上表面晶粒细小,为晶粒细小等轴晶,下层区域为柱状晶,并伴随有纳米级金属间化合物析出,均匀分布在合金层各部,大幅提高合金层各项性能。热影响区上半部由细小的马氏体晶粒组成显微硬度可达900HV0.2,热影响区下半部由粗大混合马氏体组成,显微硬度在600HV0.2左右,强化层各部显微硬度均高于基体267.1HV0.2。随着WC-12Co占比的增加,试样表面显微硬度先升高后下降;随着涂覆层厚度的增加,表面显微硬度先上升后下降;随着电子束束流的增加,表面显微硬度先下降后升高;随着电子枪移动速度的增加,表面显微硬度先升高后下降。经正交试验得出的优化方案为:涂覆层厚度为50μm,涂覆层粉末WC-12Co与Ni比例为20:80,电子束束流大小为16m A,电子枪移动速度为300mm/min。此时合金层表面显微硬度可达1177.8HV0.2,较基体硬度提升近四倍,表层摩擦系数稳定在0.532。