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2011年发生的日本福岛核事故暴露了现有Zr合金燃料包壳材料在抵抗事故能力方面的不足,为了提高核电的安全性与热效率,需要研发性能更加优异的新型核燃料包壳材料来替代Zr合金,以用于压水堆或新一代超临界水冷堆中。不锈钢由于具备优异的力学性能、抗高温氧化和耐蚀性能、以及优良的抗中子辐照能力,有望作为不同工况下的候选包壳材料。然而,大量研究结果表明,现有候选不锈钢包壳材料在高温下长期时效后,组织不稳定,导致力学性能急剧下降,并引发材料失效。因此,针对存在的高温组织稳定性问题,本工作在团簇式成分设计方法的基础上,采用微量合金化元素添加与热力学计算相结合的成分优化手段,系统探究了微量元素添加对Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Al和Fe-Cr-Ni-Al系不锈钢高温组织稳定性和力学性能的影响,揭示了三种不锈钢体系中的合金化规律,建立了合金成分→组织→性能之间的关系。主要研究内容和结论如下:1)Fe-Cr-Ni系奥氏体不锈钢由于其优异的耐蚀性和高温力学性能,被作为超临界水冷堆的候选包壳材料。该类不锈钢以310S(Fe-25Cr-20Ni wt.%)作为基础合金,为改善310S在600～700℃下的高温组织稳定性,抑制粗大脆性相Cr23C6和σ-FeCr析出。本工作系统探究了强碳化物形成元素M(M=Nb,Ti,Ta,Zr)与C元素的比例、M种类以及固溶强化元素(Mo,W)对310S合金组织稳定性和力学性能的影响。结果表明,在添加强碳化物形成元素M时,需严格保持M元素的总量与C元素的摩尔比例为1:1;当M:C>1:1时,会加速脆性σ相的析出,反之则不能有效抑制粗大的Cr23C6析出。进而,在M:C=1:1的基础上,M元素的种类也会显著影响改良310S系列合金的高温组织稳定性。具体地,添加微量Ta(0.34 wt.%)和Zr(0.35 wt.%)均能促进MC型纳米粒子弥散分布在奥氏体基体中,可有效抑制脆性Cr23C6和σ相在晶界上析出,700℃/408 h时效后,Cr23C6和σ的总体积百分数低于2.0%,从而合金的断后延伸率仍高于40%;相反地,添加Ti元素则严重降低310S合金的高温组织稳定性,700℃/408 h时效后,Cr23C6和σ的体积百分数高达15%,导致合金断后延伸率降至25%以下。对于固溶强化型元素Mo和W,W合金化可有效改善310S的高温组织稳定性,而Mo的过量添加(>0.7 wt.%)却会显著促进σ相析出,并加快 Cr23C6向σ转变。根据本工作成分优化研发的Fe-25Cr-22Ni-0.05C-0.37Mo-0.35Zr 和 Fe-25Cr-22Ni-0.05C-0.73Mo-0.18Nb-0.34Ta-0.70W(wt.%)合金,经过50 Kg级大尺寸样品的反复验证,在650℃下(包壳材料服役温度)具有优异的组织稳定性,经过3000 h时效后,合金中Cr23C6和σ相的体积分数仍低于1.0%,从而使得合金保持了优异的冲击韧性(冲击吸收功Akv>140 J/crm2),显著高于同类型的商用 HR3C 合金(Fe-25Cr-20Ni-0.4Nb-0.08C-0.2N,Akv=64 J/cm2),同时在 650℃的抗拉强度均高于300 MPa,达到了超临界水冷堆燃料包壳材料所需的综合力学性能要求。2)Fe-Cr-Al系铁素体不锈钢由于其优异的抗高温蒸汽氧化能力而被选为压水堆中耐事故容错燃料包壳材料。为解决该类不锈钢在1000℃以上因第二相粒子回溶和基体晶粒粗化而导致力学性能下降的问题,本工作以Fe-13.5Cr-4.5Al-2.0Mo-1.0Nb(wt.%)为参比合金,系统研究了 Laves相形成元素(Mo,Nb,Ti,Ta,Zr)对Fe-Cr-AI系合金高温组织稳定性和力学性能的影响。热力学计算和实验结果表明,Fe-Cr-Al系合金中Laves相的热稳定性与其形成元素在铁素体中的固溶度相关,固溶度越低,形成的Laves相越稳定,故确定选用Ta和Zr对Fe-Cr-Al系合金进一步微合金化。其中,Ta元素可以促进细小的Laves相在晶内弥散析出,且Ta含量越高,Laves相析出数量越多,该结果与热力学计算结果一致;当Ta含量达到0.65 wt.%时,合金的高温组织稳定性得到显著提升,经1 100℃/1h回溶处理后,基体中Laves相的体积分数仍能保持在1.0%左右,明显高于参比合金(～0.5%),且晶粒尺寸由参比合金的130 μm降低至50 μm,从而具有良好的力学性能(室温抗拉强度可达700 MPa)。Zr元素微合金化不仅会促进Fe2Zr-Laves相析出,而且随着Zr含量增加(0.33 wt.%),还会形成Fe23Zr6相,该相具有比Laves相更高的热稳定性,有望成为Fe-Cr-Al系合金中的新型强化相;此外,添加Zr元素还能提高合金的再结晶温度,抑制合金在高温下晶粒粗化。根据本工作成分优化研发的Fe-13.51Cr-4.73Al-2.08Mo-0.67Nb-0.65Ta(wt.%)合金,经1100℃/1h回溶处理后,析出相体积百分数是参比合金的2倍,而基体晶粒尺寸不足参比合金的1/2,有效抑制了Fe-Cr-Al系合金在1000℃以上第二相粒子的回溶和基体晶粒的粗化。3)Fe-Cr-Ni-Al系奥氏体不锈钢兼具Fe-Cr-Ni和Fe-Cr-Al系不锈钢的优良特性,有望用作超临界水冷堆耐事故容错燃料包壳材料。为解决该类不锈钢抗高温蠕变性能和抗高温蒸汽氧化性能不可兼得的问题,本工作以Fe-20Ni-18Cr-2.5Al-2.5Mo-0.86Nb-0.08C(wt.%)为参比合金,系统探究了强碳化物形成元素M(M=Ti,V,Ta)对Fe-Cr-Ni-Al系合金第二相析出行为和抗高温氧化性能的影响。结果表明,V和Ta元素均能促进Al在奥氏体基体中的扩散,使合金表面形成更加致密的Al2O3氧化膜,从而提高合金的抗高温氧化性能,其中Ta效果最佳,V次之;而Ti却会导致内层瘤状氧化物的形成,降低合金的抗高温蒸汽氧化能力。同时,Fe-Cr-Ni-Al系合金中B2-NiAl相的大量析出会改变合金中元素的微观局域分布,进而诱发脆性σ-FeCr相析出,并导致合金抗氧化能力下降。在添加强碳化物形成元素M时,需控制M与C元素的摩尔比例为1.0～2.0,可有效抑制粗大 Cr23C6 和 Laves 相析出。由此研发的 Fe-18Cr-20Ni-2.5Al-2.3Mo-0.44Nb-0.89Ta(wt%)合金,与参比合金相比,在800℃/500h高温氧化后的质量增重降低了 25%。