渗碳技术是在改善齿轮和轴承等部件表面硬度、耐磨性和疲劳性能中应用最为广泛且效果良好的表面强化技术之一,其强化过程需在高温条件下进行,主要由碳元素扩散以及随之进行的组织转变和相变完成。但目前该技术仍存在渗速慢、组织较为粗大等缺陷,综合性能和服役寿命有待进一步提升。因此,亟需针对渗碳技术特点及其存在的技术问题对渗碳层的成形过程及其组织、性能进行有效的调控。目前,催渗技术和复合强化技术是弥补单一渗碳强化不足,提升渗碳层综合性能行之有效的方法。本文以真空渗碳作为主要研究对象,首先,采用稀土离子注入与表面纳米化（超音速微粒轰击）两种方法对其进行催渗处理,进而提高渗速、改善渗层组织和性能。探究了超音速微粒轰击和注入稀土催渗技术对真空渗碳元素价态及结构的影响,揭示它们对真空渗碳的催渗与强化机理。然后,基于表面复合强化理念,引入离子注入技术,在真空渗碳层表面构建组织与性能呈梯度变化的复合强化层,从而提升渗层耐磨与抗疲劳性能。系统研究了复合强化层的组织结构特征及其复合强化机理。9310齿轮钢在925℃和905℃两种真空渗碳温度下,其表面均形成隐晶马氏体、残余奥氏体和碳化物的混合组织。但当渗碳温度为925℃时,渗碳层中碳浓度、碳化物尺寸和残余奥氏体含量均较高,形成相的分布更均匀;进而具有更高的表面硬度,且其硬度沿深度方向的变化更为平缓。采用超音速微粒轰击方法对真空渗碳进行催渗处理,使真空渗碳的渗速加快,真空渗碳层组织细化,马氏体形态发生明显改变,形成了一种以板条状马氏体为主,细小孪晶马氏体为辅的混合组织;且渗层组织的织构化现象明显减弱,晶粒具有更好的各向同性。同时,有效提升了真空渗碳层的硬度与残余压应力。超音速微粒轰击后在齿轮钢表面形成了取向各异的纳米晶粒和大量的位错,促进碳元素的短路扩散以及形成较大的碳化学势梯度,进而起到催渗的作用。采用稀土注入的方式对真空渗碳过程进行调控,稀土注入可促进游离碳扩散,提高渗碳速度,明显细化渗层组织,且使渗层相的分布和取向更均匀。其催渗作用主要来自于四个方面。首先,注入的稀土 La以单质和固溶体的形式存在,其存在净化了试件表面,加速了渗碳气C2H2的裂解;其次,渗碳过程中稀土注入表面存在的少量La2O3→LaFeO3转变,促进释放碳元素,使其向内扩散。再者,稀土注入会引入辐射损伤和晶格畸变,形成位错等缺陷,为碳元素扩散提供短路通道;另外,稀土注入减弱了奥氏体中Fe-C键形成趋势,从而使碳原子更倾向于形成以稀土为中心的柯氏气团,增大渗层中碳浓度梯度,促进碳元素扩散和LaC2的形成。稀土注入后,真空渗碳层的表和沿深度方向变化硬度、增加残余压应力及摩擦学性能得到显著提升,其提升原因为:马氏体相的细晶强化作用和碳化物的第二相强化作用。采用Ti/Zr-N离子注入技术在预注稀土 La的真空渗碳层表面制备了结构致密且具有良好力学性能的梯度强化层。Ti/Zr-N复合强化层表面分别形成了富含TiC、TiN和富含ZrN、ZrC等硬质纳米陶瓷相的薄层。其中,Zr-N离子注入渗层表面存在大量ZrO2-C非晶组织,强化层近表面存在辐射损伤和晶格畸变,从而使渗层表面硬度与残余压应力增大,且形成强韧性更好的组织,所以Zr-N离子注入改善效果更明显。Zr-N注入可显著提高了渗碳层的疲劳寿命,在置信度为0.95,可靠度为95%的条件下,Zr-N离子注入复合强化层的疲劳寿命比渗碳-喷丸强化层可提升10.2%。