伴随着现代工业的迅速发展,材料所需要满足的服役性能要求也越来越高。尤其是应用在航空航天、能源工业等领域的材料,需要具备很好的抗高温氧化性能、耐腐蚀性能。铝渗层由于其自身优秀的抗高温氧化、耐腐蚀性能,被广泛应用于各种燃气涡轮机、航天高温零部件、核反应堆、火力发电厂和石油化工设备等场景。工业上最常用的Fe-Al合金渗层成本低廉、性能优异。本文受到异种材料连接时界面合金层的启发,利用惰性气体钨极氩弧焊提供的瞬态加热作用、搅拌摩擦处理的强形变诱导快扩散作用,提出了两种制备铝渗层的方法。通过有限元分析手段建立了制备铝渗层过程中的温度场及残余应力场。通过热力学计算与动力学计算明晰了两种制备方法过程中的金属间化合物层生长规律,明确了界面原子扩散行为。通过惰性气体钨极氩弧焊在钢基体表面熔覆纯铝、铝/钢搭接搅拌摩擦处理两种手段来进行铝渗层的制备,采用有限元分析手段,基于Abaqus的二次开发功能,计算分析了两种制备渗层方法的温度场,并通过已发表文献的试验结果对温度场进行了验证。温度场计算结果表明,电弧作为典型的瞬态加热手段,温度上升迅速,在制备过程中,峰值温度保持在870℃。而搅拌摩擦处理作为一种固相处理方法,前期需要一定时间的升温过程,稳定阶段的峰值温度保持在500℃左右。通过对渗层内部特征点的热循环曲线进行对比,预测电弧熔覆方法制备的渗层内部组织均匀性优于铝/钢搭接搅拌摩擦处理方法。制备完成后的残余应力场计算结果表明,电弧熔覆方法在制备铝渗层后,钢基体表面最大纵向残余拉应力达到513 MPa。搅拌摩擦处理方法制备渗层后,钢基体表面最大纵向残余拉应力为260 MPa,下降了49.3%。两种制备方法中铝渗层的残余应力都不超过30 MPa。此外,研究了不同工艺参数变化对钢基体的纵向残余应力影响,结果表明,通过改变制备工艺参数,可以改变残余应力峰值,以及压应力、拉应力分布区域。利用热力学计算,分析预测了渗层的相组成,并通过已发表文献的实验结果进行了验证。通过两种方法制备过程中的扩散系数计算对比,发现在搅拌摩擦处理制备过程中存在原子的快扩散行为。揭示了两种方法制备过程中的渗层组织生长过程。电弧熔覆制备:液态铝在钢基体表面铺展润湿,产生物理、化学吸附作用;铝原子向钢基体进行扩散,界面处产生金属间化合物晶核;在原子的持续扩散下,金属间化合物长大,逐渐形成铝渗层组织。搅拌摩擦处理制备:搅拌头产生的剧烈塑性变形导致铝钢界面处的材料发生充分的混合;在热力耦合作用下,界面处晶粒细化,并诱生大量晶体缺陷,使扩散过程由体扩散转变为管道扩散,提高扩散速度;界面处生成金属间化合物晶核;在原子的持续扩散下,金属间化合物长大,逐渐形成渗层组织。