Fe-Al金属间化合物比强度高、耐蚀性优异,但其加工困难、韧性差且高温下的综合性能不能满足苛刻的服役环境,严重制约了其工业化应用。研究表明,Nb是提高Fe-Al合金组织稳定性、强韧性和耐高温腐蚀性能的重要合金元素,因此,研发制备综合性能优异的Fe-Al-Nb合金层,解决涂层在复杂高温工况条件下开裂甚至剥落的难题,将为Fe-Al金属间化合物的实用化进程提供新的技术路径。本文通过热浸铝工艺在45钢表面制备出Fe-Al合金层,然后利用双辉等离子表面改性技术在Fe-Al合金层表面渗Nb,制备出Fe-Al-Nb合金层,探索出理想工艺参数为:源极电压800V~900V、工件电压350V~450V、试验温度900℃~1000℃、工作气压40Pa、极间距20mm和保温时间4h。其次,采用SEM、EDS和XRD等检测手段对合金层的微观形貌、成分分布和组织结构进行表征。通过显微硬度检测、划痕试验、有限元分析纳米压痕过程以及恒温氧化试验对合金层的力学性能和抗高温氧化性能进行了深入地研究和分析。结果表明,Fe-Al-Nb合金层表面呈颗粒状分布,均匀致密,与基体结合良好;合金元素沿截面呈梯度分布,主要物相包括Nb、Al Nb2、Fe7Nb6、Fe2Al5和Fe3Al;Fe-Al-Nb合金层表面显微硬度900HV0.1,比Fe-Al合金层高100HV0.1,是基体的4.5倍;纳米压痕测试得到Fe-Al-Nb合金层的弹性模量为316.2GPa,比Fe-Al合金层大,显示出更强的抵抗塑性变形能力;采用位移控制加载方式模拟压痕过程,得到应力应变分布图及载荷-位移曲线,与实验曲线吻合,采用力加载控制方式模拟压痕过程,分析界面层上切应力,定性判断合金层与基体的结合性能,与划痕实验相符;Fe-Al-Nb合金层氧化时,外层Nb主要形成Nb2O5和Fe Nb O4,随着氧化温度的升高和氧化时间的延长,Nb2O5会开裂剥落,抗氧化性降低,Fe Nb O4逐渐增多,具有一定的抗氧化性,同时合金层与外层氧化膜之间还会形成Fe Al2O4和Al2O3的氧化物,其结构稳定,连续致密,能有效阻止氧的扩散,这种多层氧化膜结构具有良好的抗氧化性。