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9-12％Cr铁素体耐热钢是超临界、超超临界发电机组的首选钢种。这类钢的相变特征及其关键相作用的研究，对超超临界机组关键部件的研制具有重要的理论指导意义。本文选取典型的9-12%Cr铁素体耐热钢种E911钢作为研究对象，详细探讨了E911钢的固态相变特征，深入分析了δ-铁素体相的形貌和两类MX亚类型——Nb(C，N)和VN对组织与性能的影响，初步探讨了回火过程中E911钢的二次硬化机理和二次回火机制。在此基础之上，结合生产实际，制定了两类典型超临界机组用大型铸锻件的全流程生产工艺，完成了C12A钢超临界大型阀体铸件和P91钢超临界大型三通锻件的产品研发，为超超临界火电机组关键部件的研制提供了理论依据和积累了宝贵经验。
通过热力学计算与实验结果相结合，确定了E911钢的平衡相图。结果显示，在600-1600℃范围内，E911钢中包含δ-铁素体、γ-奥氏体、α-铁素体、M23C6、MX和Laves相等六类固态平衡相。其中，δ-铁素体所在相区较宽，其平衡转变温度为1210℃;MX相由两类稳定的亚类型——Nb(C，N)和VN相组成，其平衡转变温度分别为1190℃和1120℃。
采用热膨胀仪测定了E911钢的连续冷却转变(CCT)和连续加热转变(CHT)曲线，分析了E911钢在等温处理和缓慢冷却过程中的微观组织演变规律。在连续缓慢冷却条件下，E911钢发生马氏体转变，板条宽度出现粗细分化特征；在700℃长期等温处理过程中，E911钢中过冷奥氏体发生共析转变，形成两相组织。
借助金相技术观测了E911钢中δ-铁素体的组织形貌与微观结构，分析了两种形貌δ-铁素体的产生机理及其对E911钢室温组织与性能的影响。E911钢中δ-铁素体的形貌与转变机理密切相关。当加热转变温度较低时，极少量的δ-铁素体在母相奥氏体晶粒内优先形核生长，形成片状形貌，分割母相晶粒，细化晶粒，大幅降低冲击韧性。
通过改变MX相的亚类型(Nb(C，N)和VN)在基体中的含量，分析了MX型析出相对E911钢室温组织与性能的影响。不同温度正火后E911钢的原始奥氏体晶粒尺寸和相同温度回火后的强度主要取决于Nb(C，N)初生相的溶解程度，与VN的溶解关系较小。不过，VN的大量溶解，极易诱发晶粒异常长大，造成晶粒不均匀。
采用电解分离萃取析出相的实验技术，分析了不同温度回火过程中E911钢中析出相的结构和析出顺序，初步探讨了E911钢中二次硬化机理和获得良好综合力学性能的二次回火机制。在500℃-次回火后，E911钢中弥散析出大量的微细M2X相，产生二次硬化，再次在730℃二次回火后，M2X相作为形核质点增加了M23C6相析出的形核位置，使板条界面处和原始奥氏体晶界处析出的M23C6相颗粒得到细化。
在材料研究的基础上，结合生产实际，制定了两类典型超临界大型铸锻件的全流程生产工艺，包括冶炼、铸造/锻造、热处理等工艺。采用普通电弧炉冶炼、低温打箱、去应力切冒口和调质热处理等工艺，成功研制出的C12A钢超临界阀体铸件性能优于标准要求，目前已批量化生产，产品质量稳定。采用电弧炉（EAF）-精炼炉(LF)-真空氧脱碳/真空脱气(VODND)的冶炼技术、高径比小的锭型、两镦两拔锻造工艺、长期等温处理和“先低后高”的两次回火调质工艺，成功研制出P91钢超临界大型三通锻件，其组织和性能均优于标准要求。