表面形成A1203保护层的新型奥氏体耐热钢(Alumina-forming Austenitic steel,简称AFA钢)在高温复杂服役环境下具有优异的抗氧化性能,非常有潜力成为新一代高温结构材料。因此,这种新型AFA钢近年来吸引了众多材料研究者的目光。但是,到目前为止关于此类AFA钢的研究工作主要集中在高温氧化机理方面,而对其高温变形行为及力学性能缺乏系统的、深入性的研究。本课题组前期成功研发出了高温抗氧化性能优异的新型AFA钢,但是其高温力学方面的研究不足,制约了其实际工程应用。为了理解该AFA钢的高温变形机制并提高其高温力学性能尤其是耐蠕变性能,本文在系统研究第二相的析出行为、预冷加工处理作用机理、再结晶行为等基础上,探索其高温变形机制以及成分、工艺条件等对高温力学性能的影响规律。本文首先系统研究了AFA钢在高温条件下的流变行为,揭示了其高温变形机制。研究发现AFA钢的高温变形行为可用幂律规律描述,在考虑变形门槛力、弹性模量及晶格扩散影响的基础上,得出我们研究的AFA钢的应力指数为5,证实其高温蠕变是典型的回复型蠕变,主要受奥氏体晶格扩散过程的影响,而变形门槛力的存在表明了此AFA钢存在明显的第二相析出强化。同时发现,该AFA钢中的门槛力来源于位错绕过第二相颗粒所产生的额外阻力,可用Orowan机制描述。当实验温度由低于1023K上升到1023K以上的时,运动位错和第二相颗粒的交互作用能从163kJ/mol下降到34kJ/mol,表明强化效果发生了明显的改变。其次,本文系统研究了AFA钢的第二相析出规律以及强化效果。实验结果表明,在1023K或更高温度下,我们研究的AFA钢中主要析出B2-NiAl、初生NbC、σ/δ-FeCr、Laves-Fe2Nb等相,高温强化效果主要来源于Laves-Fe2Nb的析出强化。但是由于Laves-Fe2Nb的粗化倾向大,其带来的强化效果随温度升高、服役时间延长而明显下降,因此该钢的高温耐蠕变性能明显不足。纳米NbC相具有较好的强化效果,其粗化倾向也远小于Laves-Fe2Nb相,但是这种纳米相在本文研究的AFA钢中只在较低的温度下稳定存在。研究发现通过改变Nb、C的加入量,调节Nb/C比至7.7-10时,AFA钢在1023K温度时也能析出大量的纳米NbC相,从而大幅度提高其高温耐蠕变性能。减少Si和Mo元素的加入量可有效地抑制σ-FeCr脆性相的析出,从而提高AFA钢的高温蠕变性能。此外,本文还研究了工艺条件和再结晶过程对AFA钢的高温耐蠕变性能的影响。研究发现,10%左右的预冷加工处理可以促进我们研究的AFA钢中纳米NbC相的析出,并使其分布更加均匀弥散,从而使该AFA钢在1023K,100MPa条件下的蠕变断裂寿命提高1倍左右。研究还发现AFA钢的再结晶晶粒长大动力学指数为3,这说明晶粒长大过程受到了其他因素的阻碍。晶粒长大表观激活能为234.7kJ/mol,这与Nb在奥氏体晶界的扩散激活能(-225kJ/mol)非常接近,表明该AFA钢再结晶过程中发生了NbC纳米相的析出,这一推论也被TEM观察的结果所证实。在上述研究的基础上,通过调节Nb/C比,适当降低Mo. Si元素的添加量,成功开发出了改进型的AFA钢,其化学成分为Fe-18Cr-25Ni-3Al-0.8Mo-0.5Nb-0.08Si-0.08C-0.01B-0.04P-0.lY-0.1Ti。并优化了工艺条件,使得改进的新型AFA钢在1023K和100MPa条件下的蠕变寿命提高到4500小时以上。这一水平超过了美国橡树岭国家实验室所开发HTUPS系列AFA钢。同时高温氧化实验表明,改进后的AFA钢仍然具有优异的高温抗氧化性能。