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加速器驱动次临界反应系统(Accelerator Driven Subcritical System，ADS)是国际上公认最有前景的核废料处理技术。低活化铁素体/马氏体(ReducedActivation Ferritic/Martensitic，RAFM)钢因具有优异的热物理特性、力学性能和较好的抗辐照性能，被认为是未来ADS散裂靶主要的候选结构材料之一。但散裂靶苛刻的服役环境对其结构材料的耐高温性能以及与液态Pb-Bi共晶(LBE)合金相容性等方面提出更高的要求。论文以9Cr2WVTa RAFM钢为研究对象，通过添加Al、Si设计出一种新型RAFM钢(9Cr-AlSi)，利用表面机械滚压处理(Surface Mechanical Rolling Treatment，SMRT)在9Cr2WVTa和9Cr-AlSi两种材料表面制备出具有一定厚度的纳米结构表层。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)等手段系统研究了SMRT对材料微观结构、力学性能、以及在空气中和LBE合金中氧化行为的影响，进而揭示了Al、Si元素以及纳米晶对相关性能的影响机理，为RAFM钢在ADS系统中的应用提供理论依据。主要研究结果如下： 1.Al、Si缩小9Cr2WVTa钢的奥氏体相区，促进δ铁素体的生成，且Al元素的影响更加明显。在位于马氏体与δ铁素体界面的M23C6碳化物处易产生应力集中进而形成孔洞，降低9Cr2WVTa钢的室温冲击性能，断口呈现脆性断裂特征。通过0.12wt.％ Al、0.68wt.％ Si的复合添加，获得了综合力学性能较好的9Cr2WVTa钢。 2.随着回火温度升高，9Cr2WVTa钢中马氏体板条逐渐宽化、碳化物的尺寸逐渐增大、数量增多、马氏体板条内位错密度降低，导致材料的强度降低，塑性及冲击性能提高，当回火温度为750℃时，具有优异的综合力学性能。经1050℃/1h水淬、750℃/2h空冷处理后，和9Cr2WVTa相比9Cr-AlSi的强度提高了48MPa，冲击性能降低了61J。 3.研究了9Cr2WVTa和9Cr-AlSi钢在600℃、700℃空气中以及550℃饱和氧浓度的LBE合金中的氧化行为。9Cr2WVTa钢的氧化速率较快，在空气中及LBE合金中均生成双层结构的氧化膜，外层为铁的氧化物（空气中为Fe2O3，LBE合金为Fe3O4)，内层为Fe-Cr尖晶石氧化物。9Cr-AlSi钢在600℃空气中氧化500h后，材料表面生成由Al2O3、SiO2、FeCr2O4组成的单层氧化层，在700℃空气以及LBE合金中生成类似于9Cr2WVTa钢的氧化层，但是其氧化层较薄。在700℃空气中氧化500 h后9Cr2WVTa和9Cr-AlSi的氧化层厚度分别为150μm和35μm，在LBE合金中氧化5000 h后两种材料的氧化层厚度分别为38μm、30μm。这主要是由于Al、Si元素在内氧化层发生氧化，提高了内氧化层的致密性，降低合金元素的扩散速率。 4.采用表面纳米化工艺在9Cr2WVTa和9Cr-AlSi钢表面制备纳米梯度结构，表面晶粒尺寸约为50nm。由9Cr2WVTa表面纳米晶在550℃组织稳定性结果可知，退火时间延长至500h，9Cr2WVTa的表面纳米晶发生再结晶长大至亚微米晶，晶粒约为350nm。当退火温度提高至600℃时，退火500h后纳米晶转变为微米晶，晶粒尺寸约为3.2μm。 5.表面纳米化可显著提高9Cr2WVTa钢的氧化性能，600℃空气中氧化500h后氧化层厚度由原来的8μm降为500nm。这主要是由于纳米晶的晶界存在大量空位级缺陷，同时Mn元素与空位具有较大的结合能，使得Mn元素易与空位结合，显著提高了Mn元素在纳米晶中的扩散速率，此外Mn元素具有较高的活度，导致NG-9Cr2WVTa表面最终形成富锰贫铬的单层致密氧化层。在700℃空气中氧化时，由于表面纳米晶快速发生再结晶长大成为微米晶，使得最初形成的保护性氧化层逐渐破坏形成双氧化层结构，但纳米晶仍起到了延缓氧化层生长的作用，氧化500 h后纳米晶及粗晶材料表面氧化层厚度分别为112μm、150μm。而对于9Cr-AlSi，由于Cr元素的第三主元作用以及纳米晶对合金元素扩散速率提高的作用，降低了NG-9Cr-AlSi中合金元素Al、Si发生选择性氧化所需浓度，在材料表面首先形成了富Al、Si的氧化层，然后Cr元素向外扩散形成连续的Cr2O3氧化层，同时在最外层形成了富锰的氧化层，显著提高了NG-9Cr-AlSi在600℃及700℃空气中的氧化性能。 6.表面纳米化9Cr2WVTa和9Cr-AlSi在550℃LBE合金中保持至5000 h后在材料表面生成双氧化层结构，外层为Fe3O4氧化物、内层为Fe-Cr尖晶石氧化物，表面纳米化对实验合金耐铅铋腐蚀性能作用较小。表面纳米化9Cr-AlSi合金的氧化层较薄，内层氧化物有明显富Al、Si氧化物生成，提高了耐腐蚀性能。但NG-9Cr2WVTa经过在600℃空气中预氧化20h处理后，材料表面生成的致密富Mn氧化层起到隔离基体与LBE合金的作用，在500h内可显著提高材料耐Pb-Bi腐蚀性能，但随着时间的延长由于Mn元素逐渐溶解至LBE合金中导致预氧化膜被破坏，基体的氧化速率显著提升。