氧化物弥散强化铁基高温合金由于具备低肿胀、抗辐射、抗氧化、抗腐蚀及高的蠕变强度等综合性能,被认为是下一代核裂变/聚变反应堆第一壁等关键结构用材料,在国际上得到了大量研究者关注。本论文在国家自然科学基金重点项目资助下,对Fe-(12-14)Cr-3W-(0.3-0.4)Ti-(0.3-0.4)Y2O3-(1Cu)(wt.%)合金体系中的显微组织演化和力学性能开展了系统的研究工作。首先,系统研究了氧引入方式的新工艺,并对氧的存在方式及演化形式对纳米弥散相形成的作用进行了解释；同时通过对该合金体系中空位的形成及演化机制的研究和空位生成焓的测定,阐述了空位和Y-Ti-O纳米结构相的作用。其次,采用HRTEM、HAADF-STEM、TEM-EDX等分析手段对合金中的5nm左右的Y-Ti-O、铜沉淀等进行了深入的研究,阐明了其相成分组成、结构、与基体的位相关系及演化机制；最后,通过制备具有双晶尺寸分布的氧化物弥散强化铁素体钢,改善合金的韧性,同时通过微合金化过程对合金体系进行了组织改性,提高了合金的综合力学性能。主要得到的结论如下：(1)通过紧耦合雾化过程引入氧元素,粉末氧含量与雾化介质中氧含量成线性增长关系,粉末中氧的分布由内而外依次增多,氧可部分固溶于粉末中。粉末表面的氧在热固结过程中形成由氧化物组成的原始颗粒边界,在热机械处理后,原始颗粒边界破碎,氧元素重新向基体中扩散,在基体中形成弥散分布的氧化物。合金在1400℃退火1h,空冷后的力学性能最优,室温抗拉强度和断后延伸率分别为940MPa,7%。(2)在Fe-Cr-W-Ti-Y预合金粉末中添加1wt.%Fe203纳米颗粒,能够促进热挤压—热轧制过程中多种复合氧化物颗粒的形成。除了纳米Y2Ti2O7相,合金中还形成了微米级的Cr1.3Fe0.7O3、(Cr0.88Ti0.12)2O3和Y3Fe5O12相。微米级颗粒的形成与Fe2O3粉末在热挤压过程中团聚成型和Fe203与亲氧能力强的原子(Y、Ti、Cr)发生置换反应有关。添加少量Fe203粉末能够明显提高热挤压—热轧制粉末冶金铁基合金的显微硬度和室温、中温(550℃)抗拉强度。合金室温抗拉强度为1257MPa,比未添加Fe203粉末的合金增加了50.7%,但延伸率从13%降低至6.5%。(3)在过饱和铁素体基体中,不共格的富Cr、Ti氧化物相与共格的Y-Ti-O纳米相共同沉淀,延长机械合金化时间可以将Cr、Ti元素回溶于基体中,有利于形成细小的均匀弥散的Y-Ti-O纳米颗粒。(4)在14YWT和14FWT两种铁素体钢中,发现至少存在两种不同晶体学取向的Y-Ti-O纳米相,具有Y2Ti2O7结构。用Fe2O3作为携氧剂制备的纳米结构相强化铁素体钢表现出优异的综合性能。通过计算,该合金的空位生成焓约为1.11eV,明显低于纯铁的空位生成焓,为Y-Ti-O纳米相的形成提供了有利的结构条件。(5)双晶尺寸分布晶粒组织能够有效提高纳米特征弥散强化铁素体钢的延性。通过理论计算,具有晶粒尺寸双峰粒度分布的纳米弥散强化铁素体钢的应变值比仅由纳米尺度晶粒组成的14CrODS铁素体钢要超出100%以上,理论计算与实验值符合较好。(6)经过加铜微合金化的合金在时效10h时硬度达到峰值,此时合金中形成富铜的强化相,富铜沉淀的平均颗粒尺寸约为9.6nm,体积分数约为1022m-3。加铜微合金化可以进一步平衡合金的韧性与强度,富铜沉淀相经过500℃、300h长时间热暴露未发生明显长大。相对未加铜的双晶尺寸分布铁素体钢而言,加铜微合金化的合金强度得到很大的提高,在室温下,富铜沉淀强化的作用效果适用Orowan绕过机制。