发展先进超超临界发电技术是我国的重大战略需求，电站锅炉蒸汽参数的不断提高对高等级耐热钢和高温合金综合性能提出新的挑战。调查发现：多数已投运超超临界电站锅炉的典型耐热钢发生了日益严重的氧化皮快速生成及剥落现象，而且，未来先进超超临界电站锅炉候选的典型高温合金的蒸汽氧化行为也亟待研究，因此，必须揭示现役和先进超超临界电站锅炉典型耐热钢及合金的蒸汽氧化机理，研究其蒸汽氧化行为及抑制防控技术，才能确保电站锅炉长周期安全高效运行。
　　作者以现役和先进超超临界电站锅炉典型耐热钢T91/T92、Super304H、TP347H、TP347HFG、HR3C和合金Haynes625、Haynes617、Haynes282和Haynes120为研究材料，以可持续运行的高温蒸汽氧化装置和高精度热重实验装置为实验平台，在高温流动蒸汽中进行氧化实验获得不同状态下材料的氧化增重曲线。通过氧化动力学曲线得出高温合金的反应激活能，结合材料表面氧化物微观组织的变化，获得耐热钢和高温合金的蒸汽氧化规律，提出了奥氏体耐热钢早期和长时氧化模型，并研究合金元素、晶粒度和冷加工处理工艺对抑制高温蒸汽氧化过程及行为的影响规律。
　　(1)在高温蒸汽中耐热钢的氧化动力学均符合抛物线氧化规律，说明耐热钢的氧化过程受扩散控制，且氧化速率随着耐热钢中Cr含量的增加而降低，在同等条件下马氏体耐热钢的氧化增重比奥氏体耐热钢高一个数量级。蒸汽氧化初期奥氏体耐热钢表面氧化物主要由(Fe、Mn)Cr2O4、Cr2O3和偏析元素Nb的氧化物构成，突破了奥氏体耐热钢早期氧化生成Cr2O3的传统理念，发现了合金元素Mn和Nb积极参与奥氏体耐热钢早期氧化行为的事实。最后，在X射线光电子能谱深度分析Fe、Cr、Mn和Nb元素的分布规律和热力学吉布斯反应自由能理论计算的基础上，提出了奥氏体耐热钢在高温蒸汽中的早期氧化模型。
　　(2)奥氏体耐热钢长时氧化后表面氧化物主要包含以Fe的氧化物为主的氧化外层和以Fe-Cr-Ni复合氧化物为主的复杂的氧化内层。奥氏体耐热钢早期形成的富Cr保护膜的局部失效诱发了耐热钢的快速氧化过程。同时发现奥氏体耐热钢中Nb(C, N)沉淀相与金属基体的界面处为富Cr保护膜的薄弱点。进一步对超超临界压力下分别工作12000h和34696h后的过热器的奥氏体耐热钢10Cr18Ni9Cu3NbN的蒸汽氧化段微观表征实验验证了以上发现，并提出奥氏体耐热钢长期蒸汽快速氧化模型。
　　(3)通过氧化物微观表征和扩散理论计算发现以晶界为Cr离子主要扩散途径的增多利于快速形成富Cr氧化层，并且提出了TP347HFG和TP347H在高温蒸汽中的氧化模型。经冷加工处理的TP347H通过减小有效扩散距离和晶界附近增多的位错提高Cr离子的向外扩散速度，从而在氧化早期形成富Cr的氧化保护膜。
　　(4)研究表明：4种高温合金的抗蒸汽氧化性能优于奥氏体耐热钢。高温合金的氧化动力学均符合抛物线氧化规律，说明其氧化过程受扩散控制。结合微观表征和氧化物的稳定性计算，发现高温合金表面氧化物主要由以Cr2O3、MnCr2O4为主的氧化外层和以SiO2、TiO2和Al2O3为主的内氧化层组成，其中含Ti的高温合金Haynes282和Haynes617，富Cr氧化层外有TiO2氧化层，并且高温合金氧化前沿主要是氧化物Al2O3。Haynes282氧化速率明显高于其他高温合金，归结于形成Ti掺杂的Cr2O3氧化外层。
　　(5)高温合金中Al含量决定了合金中最大氧化渗透深度；Ti侧重于分布在氧分压较高的位置，尤其是氧化物与蒸汽界面和晶界交汇处；富Cr氧化层与金属基体之间连续稳定的富Si氧化层提高了高温合金的抗蒸汽氧化能力。发现了元素Al和Ti加速氧化而元素Si减缓氧化的规律，并提出适当提高Si含量以改善合金抗蒸汽氧化性。
　　(6)通过对超超临界压力下分别工作12000h和34696h后的过热器的奥氏体耐热钢10Cr18Ni9Cu3NbN的蒸汽氧化段表面氧化物的微观表征，发现蒸汽侧氧化皮外层为铁的氧化物，内层为复杂的Fe-Cr-Ni的氧化物，与实验室研究结果一致，进一步研究发现：氧化物层与基体前沿发现大量微裂纹，这可能是电站锅炉实际运行过程中负荷变动引起的疲劳开裂。氧化外层与内层之间的氧化物尺寸差异、孔洞长大聚集及氧化层与基体之间不同的热膨胀系数的耦合作用导致了氧化外层的开裂与剥落。
　　本文作者系统研究了典型耐热钢及合金的蒸汽氧化行为，揭示了典型耐热钢及合金的高温蒸汽氧化机理，可以指导现役和先进超超临界电站锅炉典型耐热钢及合金高温受热面的长周期安全高效运行。