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核电是重要的低碳能源,但是,2011年福岛核事故的发生证明在事故工况下,传统Zr合金包壳材料无法满足安全要求。各国正在积极寻求事故工况下仍能正常工作的耐事故容错燃料系统及其包壳材料,同时,大力研发第四代核能系统和可控聚变能。氧化物弥散强化（Oxide Dispersion Strengthened,ODS）FeCrAl合金因其优异的力学性能和抗氧化性能,已成为事故容错燃料（Accident Tolerant Fuel,ATF）包壳材料的重要候选材料。同时,它也是快堆等第四代核能系统包壳和聚变堆包层的重要候选材料之一。ODS FeCrAl合金的性能主要受合金元素Cr、Al含量的影响,其添加对于通过形成致密连续的保护性氧化铝膜,从而提高高温抗氧化性至关重要。同时,其含量对合金的高温时效脆性也有很大影响。因此,为了开发能满足服役要求的ODS FeCrAl合金,需首先开展主要合金组分（Cr和Al）对力学性能、高温组织稳定性和抗氧化性能等方面的研究。传统的ODS FeCrAl合金一般具有较高的Cr含量,以助于形成Al2O3膜。然而,高Cr含量的合金在工作温度范围内及辐照条件下容易形成富Cr的脆性相,导致塑性和断裂韧性下降,造成材料失效和安全隐患。因此,有必要尽量减少Cr含量,减弱合金的硬化和脆化。为了弥补低Cr合金的抗氧化性,一些微量元素（Y、Zr、Si等）被引入到FeCrAl合金中,以进一步提高高温下的抗氧化性和/或强化效果。因此,我们设计并采用高能球磨机械合金化（Mechanical alloying,MA）和热等静压（Hot Isostatic Pressing,HIP）工艺制备了 Cr含量为5 wt.%的含Zr的低Cr ODS FeCrAl合金,即5CrAlZr ODS钢。同时,也采用相同工艺制备了 Cr含量分别为9wt.%和16 wt.%的两种具有代表性的ODS FeCrAl合金,即9CrAlZr ODS合金和16CrAlZr ODS合金作为对比参考。主要研究内容包括:1)研究了不同Cr含量对ODS FeCrAl合金微观结构和力学性能的影响。结果表明,随着Cr含量从5 wt.%增加到16 wt.%,合金的晶粒尺寸变化不大。但是5CrAlZr ODS合金的晶粒尺寸分布范围比其它两个样品更窄。三种样品中的氧化物弥散粒子主要以Y-Zr-O型粒子为主,也含有少量Y-Al-O型粒子。5CrAlZr ODS合金和16CrAlZr ODS合金中氧化物颗粒的平均尺寸和数密度相差不大,而9CrAlZr ODS中颗粒的平均尺寸较大、数密度较低。此外,随着Cr含量的增加,ODS FeCrAl合金中Y-Al-O型粒子的比例随之增加。在室温拉伸方面,5CrAlZr ODS合金和9CrAlZr ODS合金的抗拉强度相差不大,均低于16CrAlZr ODS合金的抗拉强度。而在700℃高温拉伸方面,三种样品的拉伸强度差别不大,但是5CrAlZr ODS合金具有最高的延伸率,其在三种合金中表现最优。在冲击韧性方面,随着Cr含量的增加,ODS FeCrAl钢的韧脆转变温度随之增加。5CrAlZr ODS钢的DBTT仅为-81℃,明显优于9CrAlZr（-18℃）和 16CrAlZr ODS 钢（-2℃）。这说明将 Cr 含量控制在 5 wt.%的低Cr设计有助于ODS-FeCrAl合金冲击韧性的明显提高。2)研究了不同Cr含量的ODSFeCrAl合金在1000℃、1100℃和1200℃下的时效行为。结果表明,将Cr含量降至5 wt.%的设计可使ODS-FeCrAl合金的显微组织具有更优异的抗高温时效稳定性。随着时效温度的增加,三种合金的抗拉强度都有不同程度的降低。相比于9CrAlZr ODS和16CrAlZrODS合金,5CrAlZr ODS钢的抗拉强度和冲击韧性经过高温时效后,性能降幅最小,表现的最稳定。3)研究了 Cr含量的变化对ODS FeCrAl合金在空气和水蒸气环境中抗高温氧化性能的影响。结果表明,预氧化处理显著提高了 5CrAlZr ODS合金在空气和水蒸气环境下的抗氧化性能。预氧化的5CrAlZr和16CrAlZr ODS钢在1200℃空气中氧化120h后,表现出几乎一样的氧化增重曲线,而9CrAlZr ODS钢氧化速率较快。对未预氧化的ODSFeCrAl合金,当温度在1000℃和1200℃时,16CrAlZr ODS钢在水蒸气中的抗高温氧化性最好,其次是5CrAlZr ODS钢,抗氧化性最差的是9CrAlZr ODS钢。预氧化的16CrAlZr ODS钢在水蒸气中1200℃氧化120min后,其抗高温水蒸气氧化性仍为最好,其次分别是 5CrAlZr ODS 钢和 9CrAlZr ODS 钢。4)研究了微量Si对9CrAlZr ODS钢的组织、力学性能和高温抗氧化性能的影响。结果表明,用Si取代Zr元素的9CrSiAl ODS钢和Si、Zr共同添加的9CrAlZrSi中的氧化物粒子尺寸明显变小,而数密度明显增加。这说明,Si的引入有利于细化9CrAl ODS钢中氧化物颗粒的平均尺寸,增加其数密度。在力学性能方面,添加Si的合金的抗拉强度均高于9CrAlZr ODS钢,其中9CrSiAlZr室温和高温拉伸强度最高;从冲击性能来看,9CrSiAl ODS钢和9CrAlZr ODS钢相差不大,均高于9CrSiAlZr ODS钢。在抗氧化性方面,9CrSiAl ODS钢和9CrSiAlZr ODS钢的抗氧化性均优于9CrAlZr ODS钢。综上所述,通过引入微量Si元素替代Zr可显著提高9CrAl ODS钢的强度和抗高温氧化性。本文还探索了石墨烯纳米片（Graphene nanoplates,GNPs）与ODS钢粉末混合工艺的优化,并研究了石墨烯含量对5CrAlZr ODS钢的微观结构和力学性能的影响。结果表明,通过ODS钢粉末与2.0wt.%石墨烯纳米片混合工艺（包括机械混合、湿磨和两种干式球磨）的探索,发现在400 rpm干法球磨24 h制备的复合材料具有最佳的抗拉强度和塑性组合,其抗拉强度达到1250 MPa,相比于未添加GNP的ODS钢提高了37%。添加0.5-2.0 wt.%GNPs后,块体GNPs/ODS钢复合材料的强度和塑性均有所提高。当GNP含量在2.0 wt.%以上时,由于GNP的聚集或团聚,复合材料的强化效果和塑性急剧下降。