316L不锈钢在石油、化工、冶金及航空等领域中应用广泛,但在高温、高压等恶劣环境下使用性能变差甚至导致严重后果。粉末包埋法渗铝可提高其抗氧化和耐腐蚀性能,但传统不锈钢表面渗铝存在着温度高、时间长及能耗大的缺点。本文基于稀土催渗原理,对316L不锈钢进行表面机械研磨活化处理(Surface Mechanical Activation Treatment-SMAT),形成细晶层及组织结构缺陷,通过增加渗铝过程中活性原子的扩散通道,实现了316L不锈钢表面700℃的低温渗铝。采用L25(56)正交试验法,得到基于稀土催渗的最佳渗剂组分,而后研究了机械研磨对最佳渗剂组分的影响,优化渗剂组分,获得了一种基于稀土催渗316L不锈钢机械研磨表面低温渗铝最优工艺方案。分析了316L不锈钢低温渗铝层的组织形貌、相结构与成分分布;进行了低温渗铝层的显微硬度、抗氧化性和耐腐蚀性等性能测试,并对低温渗铝层成型及其对性能的影响机制进行了研究探讨。得到如下结论:1、研究了316L不锈钢机械研磨时间对试样表面质量的影响规律。结果发现,当研磨时间为4~6 h时,表面粗糙度变化均匀,晶粒尺寸在2μm左右,有的甚至达到纳米级,当超过6 h后表面粗糙度增加明显,8 h后表面质量开始恶化。2、通过正交试验,确定了影响渗铝层质量的因素按重要程度依次为:铝粉含量、稀土含量、铝铁粉和氯化铵含量。研究了机械研磨对最优渗剂组分的影响,获得的最佳低温渗铝工艺参数为:机械研磨时间6~8 h,渗铝剂组分(质量百分数)为:铝粉含量20~25%,铁铝粉含量10%,稀土含量3~5%,氯化铵含量1~1.2%,316L不锈钢经700℃×4h炉冷渗铝处理后,可以形成25~30μm的致密均匀、与基体结合紧密的渗铝层。3、对渗铝层进行相结构及成分分析,结果发现,渗层主要为Al-Fe合金相,表面铝元素含量达44%wt,从表层到基体之间呈梯度变化,渗层中高的铝含量对于表面形成氧化层、提高抗氧化性能具有重要意义。4、进行了316L不锈钢表面不同渗铝层的显微硬度测试,结果表明,传统渗铝层硬度值为476 Hv,机械研磨结合稀土催渗的渗铝层硬度高达724 Hv,且硬度梯度较为平缓,同时,成分及相结构的梯度分布、机械研磨形成凹凸不平犬牙交错的结合面等因素使得基体对渗层的支撑作用较强。5、高温氧化实验及电化学腐蚀实验结果表明,与对比试样相比(未处理、传统渗铝),机械研磨稀土催渗渗铝试样抗氧化性及耐腐蚀性能均有较大提高:在氧化20 h后增重只有2.000 mg/cm2,氧化性能是未处理试样的10倍以上;腐蚀电流密度为1.5086mA/cm2,低于对比试样(未处理试样1.9286 mA/cm2,传统渗铝试样1.8179 mA/cm2),说明其抗腐蚀性能大大增强。渗铝层性能优良的主要原因在于:组织致密、成分相结构呈梯度变化、渗层与基体结合紧密、渗层中的铝铁合金相的抗氧化及耐腐蚀性优良等。