我国对电力能源的需求日益增加,现代科学技术对绿色能源的开发尚且无法满足人们对电力能源日益增长的需求,火力发电在未来几十年里仍然是国内最主要的发电方式。随着国家对火力发电效率的要求逐渐提高,大力发展更加先进的超超临界火力发电机组变得十分关键。然而,随着火力发电机组蒸汽参数的提升,也使超超临界火力发电机组的过热器和再热器等热端部件面临着更加苛刻的工作环境,除对金属材料的高温力学性能有关键要求外,材料的抗高温氧化及腐蚀性能受到更加广泛的关注。因此,着力研究火力发电机组的高温段材料在蒸汽环境中的氧化行为显得尤为重要。本文拟通过对传统的商用HR3C奥氏体耐热钢进行成分设计改性,选取了三种不同成分的HR3C奥氏体耐热钢。采用自主搭建的蒸汽氧化装置,分别在650℃和700℃蒸汽条件下对几种奥氏体耐热钢进行长达1000小时的蒸汽氧化实验。记录不同温度下四组样品的氧化增重,绘制动力学曲线。利用SEM、EDS、TEM以及光学显微镜等检测手段对各组样品的表面形貌、截面形貌、氧化物成分以及组织结构进行观察分析,并且利用XRD对氧化后合金表面形成的氧化物进行表征,揭示了改性的HR3C奥氏体耐热钢在650℃和700℃高温蒸汽条件下的氧化机制。研究结果表明:四组HR3C奥氏体耐热钢在650℃蒸汽条件下的氧化增重均低于同组样品在700℃下的氧化增重,温度对HR3C奥氏体耐热钢的氧化行为产生了显著影响,加速了氧化膜的生长和剥落。在650℃蒸汽条件下,改性的HR3C-3#耐热钢氧化增重最小,并且具有良好的抗蒸汽氧化性能和很高的显微硬度。改性的HR3C-2#耐热钢在两种温度下都出现了失稳氧化,形成外氧化层为疏松多孔的岛状Fe2O3,内氧化层为富Fe,Cr,Ni的混合氧化物。四组奥氏体耐热钢都发生了不同程度的晶粒细化,其中改性的HR3C-2#耐热钢晶粒细化现象最为明显。与650℃蒸汽条件下表面形成致密的Cr2O3保护膜不同的是,在700℃蒸汽条件下,改性的HR3C-1#耐热钢和改性的HR3C-3#耐热钢在氧化初期表面形成了大量的Nb2O5。氧化后期与改性的HR3C-2#耐热钢类似,同样形成了外氧化层为岛状Fe2O3,内氧化层为富Fe,Cr,Ni的混合氧化物的结构。此外,进一步探究了 Nb元素对HR3C奥氏体耐热钢蒸汽氧化行为及力学性能的影响。在650℃蒸汽条件下,当Nb元素的含量在一定范围内时（低于0.59wt.%）,随着Nb元素含量的增加,合金的抗蒸汽氧化性能有所提升;当Nb元素的含量过高时（2.93wt.%）,会大幅度降低合金的抗蒸汽氧化性能。Nb元素和Co元素的添加促进了晶粒细化。适量的Nb会提升合金的显微硬度,过量的Nb会降低合金的力学性能。