Grade 91钢是当前在超（超）临界火力发电机组中广泛应用的材料之一,Grade91钢的热处理工艺和特种焊接技术的研究对火力发电技术的发展具有重要意义。本论文重点研究了Grade 91钢制造及加工中的三个难点问题:（1）大壁厚Grade91钢或Grade 91钢管大规模热处理过程中,不同区域正火冷却速度差异对Grade91钢显微组织和力学性能的影响;（2）激光焊接技术在Grade 91钢加工过程中的应用研究;（3）Grade 91钢焊接修复技术。针对以上三个方面,本论文研究了不同热过程对Grade 91钢及其特种焊接头/熔敷金属显微组织和力学性能的影响。在热处理工艺方面,着重研究了正火冷却速度和回火对P91钢显微组织的力学性能的影响;在激光焊接方面,着重研究了P91焊缝中δ-Fe的形成规律及机理,HAZ的抑制机理,焊缝的开裂机制,并且讨论了焊后热处理工艺对激光焊焊接接头显微组织和力学性能的影响;焊接修复方面,讨论了基于CMT的熔敷技术对δ-Fe的抑制机理,研究了Grade 91钢熔敷金属的焊后热处理工艺,对比了Grade 91钢熔敷金属和标准P91钢力学性能。得到的结论如下:采用了3种冷却速度对P91钢进行正火热处理,分别为:空冷（正常正火）、200℃/h（临界正火）、25℃/h（缓冷正火）,试验结果表明较低的正火冷却速度能够将P91钢的正火组织从正火马氏体变为块状铁素体,由于固溶强化和位错强化的逐渐损失,其硬度和强度逐渐向下降。临界正火时,较长的马氏体相变时间引起了碳的再分配,形成了低碳正火马氏体和高碳孪晶马氏体的混合组织,高碳孪晶马氏体提高了临界正火P91钢的脆性,此外临界正火P91钢中也能间接观察到原奥氏体孪晶。缓冷正火时,块状铁素体的晶界形成了连续M23C6,也提高了缓冷正火P91钢的脆性。对3种P91进行780℃+1h的回火热处理,回火马氏体的固溶强化和位错强化效果均大幅减弱,回火马氏体的硬度和强度下降,塑性和韧性提升。临界正火+回火P91钢中的低碳正火马氏体和高碳孪晶马氏体均转变为低位错密度回火马氏体,这强化了临界正火+回火P91钢的韧性,但是恶化了其持久性能。回火后缓冷正火P91钢晶界连续M23C6转变为断续M23C6,但其回火前后强化机制变化不大,其硬度变化也较小,由于M23C6的部分溶解和球化,其韧性得到大幅提升。激光自熔焊接技术是P91钢的理想焊接方式。首先,激光焊焊缝区冷却速度极高,抑制了δ-Fe相形成;其次,激光焊接热源集中,加热/冷却速度快,因而压缩了热影响区宽度,降低了P91钢焊接接头的IV型开裂倾向;最后,通过合理的焊后热处理工艺,P91钢激光焊接接头能够获得较好的综合力学性能。本论文的研究表明,越高的冷却速度能够抑制液相向δ-Fe相的转变,从而抑制焊缝中的δ-Fe相,但焊后热处理过程中δ-Fe相中的碳原子会向某些δ-Fe/马氏体界面迁移,在这些界面上形成粗大的M23C6,从而降低焊缝区的韧性。当焊后热处理温度超过Ac1温度,焊缝中的正火马氏体能够加剧焊缝的脆性。P91钢的激光焊接宜使用大功率高速焊接方式,从而减小焊缝宽度,抑制热裂倾向。基于CMT的熔敷技术是Grade 91钢部件修复的理想方式。CMT热输入低,熔池冷却速度快,能够抑制δ-Fe相的形成,同时压缩热影响区的宽度。因此,受到高冷却速度和焊丝中C、Ni、Mn的共同作用,本研究中的Grade 91钢熔敷金属中未见δ-Fe相形成。Grade 91钢熔敷金属可分为凝固区和过渡区,对多层单道熔敷金属的研究表明过渡区马氏体中的位错强化和细晶强化效果略低,部分过渡区处于Ac1和Ac3温度之间,该区域显微硬度略低于凝固区的370HV,760℃+1h回火后显微组织均转变为回火马氏体,硬度和强度大幅下降,塑性有所提升。对热处理后多层多道熔敷金属的研究结果表明,焊后热处理温度低于Ac1温度时,熔敷金属的强度和硬度逐渐降低,塑性和韧性明显提升,当焊后热处理温度高于Ac1温度时,强度和硬度又迅速增加,塑性和韧性明显恶化。熔敷金属的硬度和强度与标准P91钢相比没有太大的区别,但是熔敷金属的塑性和韧性均明显差于标准P91钢,这主要是由熔敷金属中的少量的缺陷引起的。综上所述,P91钢的正火冷却速度对P91钢的性能有着较大的影响,需要加以监控;激光自熔焊接技术能够用于P91钢部件的生产制造过程;基于CMT的熔敷技术在P91钢部件的修复中有着较大的应用潜力,其缺陷形成机理及控制方法有待进一步的研究。