在Ti-6Al-4V表面制备复合材料层能够在其良好性能不被破坏的前提下,明显改善其表面性能,具有重要的理论意义和广阔的应用背景。但是,增强颗粒熔化和复合材料层开裂等问题难以解决。控制成分梯度变化是解决复合材料层开裂的最有效方法之一。目前,通过引入过渡层的方式可以实现梯度复合材料层的制备,能够在一定程度改善复合材料层的开裂问题,但无法解决增强颗粒的熔化问题,并且制备工艺过于复杂。本文针对上述问题,采用激光熔注技术,通过向激光熔池直接注入单晶WC颗粒的方式,在不采用过渡层的情况下,实现了WC_p/Ti-6Al-4V梯度复合材料层的制备。在激光熔注工艺特性研究的基础上,研究了梯度复合材料层的形成机制、激光熔注过程熔池的复杂结晶行为、梯度复合材料层的微观断裂行为和WC_p/Ti界面的反应机制。通过系统工艺实验,获得了WC_p/Ti-6Al-4V材料体系最佳激光熔注工艺范围,研究了工艺参数对复合材料层宏观成形、WC颗粒分布与体积分数的影响。通过WC颗粒注入速度的计算与熔池流场、温度场的数值模拟,分析了熔池粘度、Marangoni对流、熔池凝固前沿等因素对WC颗粒分布的影响,阐明了激光熔注过程梯度复合材料层的形成机理。证明熔池凝固前沿是决定WC颗粒分布的关键因素,梯度复合材料层的形成是以熔池凝固前沿向前推移不断将WC颗粒“冻结”实现的,熔池粘度和Marangoni流对WC颗粒分布的影响微弱。通过XRD衍射和SEM、TEM电子显微研究确定了复合材料层物相组成,描述了复合材料层的微观组织特征,并实现了对复合材料层各物相的精确鉴定。基于W-C、Ti-C、Ti-W二元系和Ti-W-C三元系平衡凝固研究,分析了激光熔注过程快速凝固条件下熔池的复杂结晶行为。发现Ti基体中的元素分布、WC颗粒体积分数和TiC枝晶含量均呈现出梯度分布的特征。通过控制WC颗粒由熔池尾部注入,实现了对反应产物数量的有效控制,在WC颗粒周围获得了很薄的规则胞状反应层结构。并首次在WC_p/Ti界面结合区,除了W₂C层和TiC层外又发现了一层厚度约为200 nm的连续纳米W层。在常规力学性能分析的基础上,采用SEM原位拉伸试验,观察了复合材料层在拉应力作用下裂纹形成、扩展过程,阐明了单晶颗粒增强复合材料的断裂机理。复合材料层裂纹主要在WC颗粒内部和WC/W₂C界面形成。裂纹主要沿着基体中TiC枝晶扩展,并且沿着WC颗粒密度最大的方向断裂。致密胞状界面反应层的形成大大提高了界面应力传播效率,加上单晶的高承载力,使得单晶WC颗粒增强复合材料层的抗拉强度有明显提高,比多晶WC颗粒增强复合材料层提高了18%。在热力学分析的基础上,借助热模拟试验,研究了WC_p/Ti界面反应机理,并根据W₂C层发生的孪生变形现象,合理解释了固态相变条件下W₂C与母相WC不形成共格界面的原因,澄清了WC_p/Ti界面反应存在的争议问题。通过快速、缓慢凝固条件下WC_p/Ti界面反应行为的对比研究,证实了快速凝固条件下形成的反应层结构具有抑制界面反应的作用。结果表明,W₂C层是固相WC与液态Ti反应生成的,W₂C内部发生的孪生变形,破坏了WC/W₂C共格界面,在单晶W₂C层形成了W₂C孪晶。在界面反应过程中形成的致密TiC层能够能够将WC颗粒和与熔池隔离,控制WC颗粒分解,可以抑制界面反应的进行。