加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)是国际原子能机构认定的最有前景的嬗变核技术之一,也是目前国际上新型核能系统研究的热点之一。ADS系统的高负载结构如包壳、散裂靶等在高温、高辐照环境下工作,并与液态Pb-Bi合金接触,将承受液态金属侵蚀、辐照损伤及交变热疲劳的综合作用,须具备良好的耐高温、抗辐照、抗液态金属腐蚀等物理化学性能。以铁素体／马氏体双相组织为基体的T91钢,具有优良的高温强度和抗氧化性能,已作为高温结构材料在火力发电系统中得到了广泛应用,被认为是未来嬗变反应堆ADS系统中最有前景的候选材料之一。为了进一步完善T91钢的组织与性能,尤其是高温疲劳性能和抗液态Pb-Bi合金腐蚀性能,本文在传统T91钢的基础上,试图通过弥散强化、表面钝化及取向优化等手段,对其表面及内部微观结构及其综合性能进行调控,为满足ADS系统的应用要求提供理论和技术基础。本文的主要研究内容和结果如下：1、氧化物弥散强化(ODS)方法以微米级Y203颗粒为增强相,以T91钢为基体,分别采用直接铸造法和中间合金铸造法对T91钢ODS方法进行了研究。在直接铸造法中,将微米级的Y203颗粒直接加入液态T91钢,借助电磁搅拌作用使之在熔体中均匀分布。微观组织分析表明,在Y203颗粒与T91钢基体的界面上形成了含Y的氧化物颗粒,尺寸在2～5μm之间。该氧化物颗粒通过Orowan强化机制使材料强度得到明显提高,同时塑性也得到改善,形成典型的均匀韧窝拉伸断口。当Y203添加量为0.2wt.%和0.4wt.%时,通过高温正火加回火热处理,T91钢的抗拉强度分别提高了11.6%和17.7%。相比之下,添加0.4wt.%Y203的9Cr低活化钢也显示出明显的强化效果,其抗拉强度提高了14%。这些结果证明,直接铸造法是实现ODS的有效方式。在中间合金铸造法中,先将纯Fe粉和Y203粉末在高能球磨机中研磨,使Y203颗粒尺寸减小至纳米级并使两种颗粒充分混合并均匀分布,然后通过烧结形成块体Fe-Y2O3中间合金。在T91钢熔炼时将该块体材料加入熔体,熔化后便得到纳米Y203在T91钢中弥散分布的复合组织。经TEM观察,证明在基体上弥散分布着数十纳米的Y203颗粒。经拉伸试验,该合金平均抗拉强度较复合前提高了9.6%,而断后伸长率基本保持不变。说明该方法可以实现纳米级Y203颗粒在T91钢中的弥散分布并产生强化效果。2、表面钝化方法为了改善T91钢耐液态金属腐蚀性能,对T91钢表面钝化方法进行了研究。通过表面浸渗铝结合热处理,在T91钢表面形成Fe-A1金属间化合物层。经SEM观察与XRD测试,证明浸铝层厚约60μm,浸渗态下浸铝层由Al、FeAl3和Fe2Al5三种相组成。经1050℃x0.5h扩散热处理,所有金属间化合物全部转变为Fe3Al,浸铝层厚度增加到100μm。EDX分析表明,Fe3Al化合物中约有8.9%的Al原子被Cr取代,因此实际组成为Fe3(Al,Cr)。该浸铝层显微硬度与T91钢基体相近,与基体力学性能匹配。经在Pb-Bi液态合金中浸泡200h,无明显腐蚀,表层O元素含量保持在稳定的低水平,证明该浸铝层具有良好的抗蚀性能。3、晶体组织控制方法ADS高负载结构在与Pb-Bi液态金属接触的高温环境下工作,除了受辐照和液态金属的腐蚀以外,还将受到交变热应力的反复加载作用,在Pb-Bi液态金属流动的轴向产生疲劳裂纹。因此,提高T91钢特定方向的耐热疲劳性能对于延长ADS高负载结构的服役寿命是至关重要的。本文利用定向凝固方法,研究了不同温度梯度和凝固速度条件下T91钢定向凝固组织的形成过程、晶体形貌及其影响因素。通过相图分析和微观组织观察,发现T91钢定向凝固组织中含有块状铁素体、板条状铁素体、残余奥氏体、多个生长方向的马氏体以及各类碳化物相,其中板条状铁素体沿晶体生长方向排列整齐。此外,凝固界面同时存在胞状和枝状晶体,向生长方向凸起。定向凝固初期,组织中出现了相互垂直的马氏体组织；随着生长的进行,定向温度场趋于稳定,柱状枝晶以α铁素体为主；在凝固后期,柱状枝晶末端出现大片马氏体和高温铁素体。由于横向散热效应,柱状晶之间存在5-15°的偏转角,该偏转角随凝固速率增大而增加。在靠近试样外侧的区域,发现存在两个方向生长的柱状晶,这与两个方向的热流有关。对不同凝固组织进行的弹性模量测试表明,随凝固速率增加,试样纵向弹性模量增大,在124GPa至216GPa之间变化。弹性模量大小与凝固组织存在以下关系：E枝晶<E胞晶<E马氏体≈E等轴晶<E两个方向枝晶<E30°以上偏转角。此外,弹性模量还具有强烈的方向性。按偏转角大小排列为Eo°<E5°<E15°<E等轴晶<E90°<E30°<E45°。