为解决钢铁基体表面铸渗硬质涂层制备过程中涂层易产生气孔、夹渣等缺陷,界面结合强度不高和厚度范围窄等问题,本文提出了将自蔓延高温合成(SHS)技术与真空消失模铸造(V-EPC)工艺相结合,在钢铁铸件表面原位制备出SHS硬质涂层。结果表明,制备的钢基SHS硬质涂层厚度范围宽、致密度高、结合强度高、耐磨、耐冲击且表面质量良好,适合于规模化工业生产。本文设计了Ti-C和Ti-W-C两种自蔓延高温合成反应体系。利用X射线衍射、光学显微镜、扫描电镜及其能谱分析、透射电镜以及力学性能测试等综合实验手段,研究了不同反应体系成分配比、涂覆层制作方式、V-EPC工艺参数、添加剂、热处理工艺等对硬质涂层组织和性能的影响：对硬质涂层及颗粒相形成机理进行了分析。得到以下主要结论：Ti-C和Ti-W-C两种SHS反应体系制备硬质涂层的基本配比：Ti/C摩尔比0.75～1.0；W/Ti摩尔比0.5～1.0。Ti-C体系钢基硬质涂层组织主要由原位合成的TiC颗粒和基体相组成=Ti-W-C体系钢基硬质涂层组织分内外两层,内层以细小的TiC和(Ti,W)C颗粒相为主,外层以细小的TiC和粗大WC颗粒为主。压坯脱胶后硬质涂层内部质量好,随着压坯压制力的增加,反应合成的TiC颗粒细小,弥散分布,压坯压制力控制在80MPa～160MPa.通过正交实验得到较优的V-EPC工艺参数为：高锰钢浇注温度为1520℃,负压真空度为0.03～0.05MPa,金属钛粉粒度为200～300目,粘结剂为2%聚乙烯醇水溶液。随着TiC和WC颗粒加入量的增加,可提高硬质涂层组织致密度,反应合成的TiC颗粒更为细小,分布均匀,颗粒相体积分数显著增加,显微硬度呈上升趋势。加入TiC颗粒后硬质涂层组织由反应合成TiC颗粒、外加TiC颗粒和基体相构成。加入WC颗粒后的硬质涂层组织由反应合成的TiC颗粒、具有芯／壳结构(Ti, W) C环形相以及基体相组成;经热处理后(Ti, W) C环形相重新溶解析出,环形相厚度变小,部分W元素固溶于基体相中产生固溶强化。添加TiC的硬质涂层显微硬度最高值为3100HV。外加TiC最佳加入量为10wt.%, WC加入量控制在10wt.%～15wt.%之间。加入稀土Ce02后,可以净化涂层组织,提高致密度。可消除粗大的树枝晶组织,减少TiC颗粒团聚现象,形成均匀细小的粒状晶组织。稀土Ce02加入量低于1.5wt.%。随TiC和wC加入量的增加,硬质涂层界面结合强度增加；硬质涂层的冲击韧性下降,添加WC后涂层冲击韧性下降幅度大一些,冲击断口为脆性解理断口；抗磨粒磨损性能增加,添加TiC后硬质涂层耐磨性能提高幅度更大,其抗磨粒磨损能力为基体高锰钢的8～10倍,为不添加硬质颗粒的1.5～3倍。随着TiC颗粒加入量的增加,磨损形貌中犁沟明显变浅直至消失,颗粒脱落现象减少,表现出良好的抗磨粒磨损性能。将熔体铸渗速率与Fourier传热模型相结合,建立了形成过程数学模型。熔体中反应合成TiC颗粒可分为TiC形核与长大两个阶段,熔体中Ti和C元素的浓度越高,其TiC形核阶段越长,生成的TiC晶核数量越多。TiC颗粒生长为小平面光滑生长模式。成功制备了SHS钢基硬质涂层螺旋叶片,其表面质量良好,组织致密,与基体呈冶金结合,满足工业化生产的工艺要求。解决了螺旋叶片在使用过程中的断裂和局部磨损问题。