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能源和环境问题是当今世界各国面临的两大难题。要实现经济和社会的可持续发展，必须大力发展新能源技术。我国的能源结构目前以并将长期以燃煤火电为主，未来将着力发展高效率和低排放的超超临界火电技术。由于火力发电的效率与作为工作介质的蒸汽参数有关，并随着蒸汽温度和压力的提高而不断增加，因此发展高温抗氧化性能更加优异、持久性能更高的耐热钢材料是实现高参数高效率超超临界火电技术应用的关键。本研究主要内容包括：
⑴通过增Cr提高抗氧化性能、增W提高固溶强化作用和加Co延缓M23C6碳化物的粗化以提高析出强化作用的合金化设计，发展了一种新型9～12％Cr铁素体耐热钢(0.1C-10Cr-2.5W-2Co-VNbNB钢，简称10Cr钢)，其在650℃的高温抗氧化性能和600℃的持久性能均优异于目前已广泛应用的P92钢。在600℃/210MPa的持久应力下，10Cr钢的持久寿命(8354h)是P92钢(431h)的19倍。同时还通过在P92钢化学成分的基础上增加Co设计了另一种0.1C-9Cr-1.7W-1.6Co-VNbNB钢(简称9Cr钢)，用于研究Co对高温持久性能和组织演变的影响。借助透射电镜、扫描电镜和电子探针对新型10Cr耐热钢在高温蠕变和时效过程中的组织演变规律和其对力学性能的影响进行了深入研究。10Cr钢的显微组织在蠕变过程中随着断裂时间的延长主要发生三个方面的演变：一是马氏体板条的不断粗化甚至碎化为亚晶；二是M23C6碳化物粒子的粗化；三是Laves相的析出和长大。组织演变对界面强化、位错强化、析出强化和固溶强化的削弱作用是持久强度随断裂时间不断下降的原因。10Cr钢持久强度.断裂时间曲线上斜率的两次拐折与Laves相的析出和长大行为有关。10Cr钢在时效过程中的性能退化速率与蠕变时相比要缓慢得多，这与应力具有加速组织演变的作用有关。时效过程中10Cr钢的组织演变主要是Laves相的析出和长大，但Laves相的析出数量和马氏体的粗化速率相比蠕变时分别要少和低。时效对10Cr钢的高温拉伸强度基本不产生影响，但会使材料的室温冲击功快速下降并逐渐趋于稳定，冲击性能的恶化与Laves相的形成有关。钢中W、Co含量的增加会促进组织中Laves相的析出，使相同时效时间后析出的Laves相体积分数增加。
⑵通过系统研究10Cr钢、9Cr钢和P92钢中的奥氏体晶粒随正火温度的长大趋势以及正火和回火温度对三种材料室温和600℃拉伸性能、室温冲击性能的影响，表明三种材料具有相似的奥氏体晶粒长大趋势和回火特性，回火温度对三种材料力学性能的影响明显高于正火温度。P92钢在500℃回火时会出现二次硬化现象。在500～800℃范围内，随着回火温度的升高，三种材料的室温和600℃高温强度不断降低，而室温韧性则不断升高。在相同回火温度下，Cr、W、Co含量更高的10Cr钢与9Cr钢和P92钢相比具有更高的强度，但韧性则较后两者低。为获得良好的综合力学性能，确定三种材料的热处理工艺应为：1050～1100℃/50min/空冷(正火)+760～780℃/90min/空冷(回火)。在不同温度下回火时，P92钢组织中会形成不同类型的析出相。回火过程中析出相类型、板条结构和位错密度随回火温度的变化是材料强度和韧性随之发生改变的原因。材料强韧性随回火温度的变化导致了其拉伸和冲击断口形貌的不断改变。
⑶通过降低C含量至接近0的极低值以抑制组织中具有较高粗化速率的M23C6的析出而只形成粗化速率较低的MX相，并添加一定量的Co和Mn来平衡奥氏体形成元素和铁素体形成元素的比例以抑制高温δ-铁素体的形成和确保在室温获得全马氏体组织，同时依靠增加Mn含量进一步提高固溶强化作用的合金化设计，发展了一种新型9％Cr铁素体耐热钢-MX型氮化物强化钢(0C-9Cr-1Mn-1.5W-1.5Co-VNbN钢，简称MXNS钢)。MXNS钢的室温和高温强度在650～750℃范围内随着回火温度升高而不断降低，韧性则不断提高。回火时组织中均在位错处析出了大量的MX型氮化物，回火温度从650℃升高至700℃时，析出相的数量未见明显变化但平均尺寸略有增加。700℃时MXNS钢600℃下的屈服和抗拉强度分别为393MPa和435MPa，高于P92钢的强度水平。但是，当回火温度升高至750℃时，MXNS钢的高温拉伸强度已低于P92钢。
⑷时效过程中MXNS钢中也会析出富W的Laves相，优先分布于原奥氏体晶界处，Laves相的析出会引起材料室温和600℃拉伸强度的提高以及冲击韧性的快速降低。但是，随着时效时间的延长，材料组织中析出的Laves相数量增多且尺寸增加，从而使析出强化和固溶强化作用减弱，表现为材料的室温和高温强度的不断降低。