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随着社会经济的快速发展，能源短缺成为社会发展的瓶颈，因此提高现有能源的利用率显得尤为重要。燃煤发电用超临界、超超临界汽轮机通过提高蒸汽的温度和压力可以明显提高能源的利用率。而提高蒸汽温度和压力的关键是耐热钢，本研究马氏体耐热钢拟应用于该类机组，材料的工作温度是650℃，但是该类马氏体耐热钢的研究处于探索阶段，为此本课题拟设计新型马氏体耐热钢，并进行深入研究。本文分析了马氏体耐热钢的强化机制，包括固溶强化、析出相强化等，以材料的强化机制为基础，设计了新型马氏体耐热钢。参考现有牌号的马氏体耐热钢的成分、力学性能及其设计过程，利用Thermo-calc软件模拟了元素含量对马氏体耐热钢平衡相组成的影响，最后确定新型马氏体耐热钢的合金成分，由于P、S是有害元素，其成分应控制在一定含量以下。通过热处理对所设计的新型马氏体耐热钢的显微组织和析出相进行进一步的控制。以同类型材料的热处理工艺为基础，结合热处理经验公式及Thermo-calc模拟的平衡相图，确定新型马氏体耐热钢的热处理工艺是1100℃×2h正火，然后分别进行660℃×2h、700℃×2h、740℃×2h回火，回火随炉冷却到300℃时出炉空冷。材料在1100℃×2h正火+660℃×2h回火后的抗拉强度超过1000MPa，冲击功约为10J；材料在1100℃×2h正火+740℃×2h回火后的抗拉强度900MPa，冲击功16J。显微组织观察表明：铸态组织、660℃回火后的显微组织均是典型的板条马氏体；700℃回火后的材料晶粒粗化，马氏体板条特征弱化；在740℃回火，晶粒粗化十分明显，马氏体的板条特征更加弱化，微区成分分析表明此时有更多的析出物析出。材料在1100℃×2h正火+660℃×2h回火后主要析出物是Cr23C6、MX型化合物；材料在各个热处理状态均有铁素体存在。根据力学性能测试结果，得出较优的热处理工艺是：1100℃正火+660℃-700℃回火。采用减重法对材料进行高温抗氧化性能试验。材料在650℃氧化100h的平均氧化速度为0.52g/m2h，在750℃氧化100h的平均氧化速度为1.0g/m2h。650℃氧化100h主要的析出相是Cr7C3、MoC以及α铁素体，在750℃氧化的主要析出相是Cr7C3、MoC、α铁素体及M2X型化合物V2C、Nb2C。材料在300℃的高温抗拉强度为695MPa，在500℃的高温抗拉强度为480MPa。随着拉伸温度的升高，材料的抗拉强度和韧性都降低，高温拉伸断口无明显塑性变形，呈脆性断裂特征。