为了满足环保和燃油法规要求,近年汽车发动机排气部件的服役温度大幅升高至1000 ℃,导致现有排气部件用材料无法满足服役性能要求。因此,汽车工业界迫切希望开发一种承温能力更高,而又经济、环保的新合金。Nb稳定化奥氏体耐热铸钢具有较高的高温强度和抗高温氧化性能以及强有力的经济竞争力,因而具有显著的应用潜力。但是,截至目前,有关1000 ℃以上温度服役的奥氏体耐热铸钢的力学性能和凝固路径的研究报道非常有限,相关合金元素（Mo、W、C、N）对其力学和凝固行为的影响机理尚不明确。为了建立、完善Nb稳定化奥氏体耐热铸钢的合金设计准则,并提高合金的高温力学性能,本课题开展了三阶段的研究工作,包括:1)合金化原理研究,主要研究宏量（Mo、W）和微量（N）元素对奥氏体耐热铸钢高温力学性能的影响;2)新型Nb稳定化奥氏体耐热铸钢的合金设计以及N/C比对其显微组织和蠕变行为的影响;3)N/C比对新型Nb稳定化奥氏体耐热铸钢各相的凝固形成机制和凝固路径的影响。本工作开展合金化原理研究的主要目的是明确Nb稳定化奥氏体耐热铸钢的目标服役组织对各析出相含量的要求。研究结果表明:Mo、W和高N（>0.4%）对提高Nb稳定化奥氏体耐热铸钢1000 ℃蠕变性能的作用非常有限,过量添加反而会降低合金的蠕变强度。Mo、W和高N的添加对实验合金铸造过程中Nb（C,N）的形成影响较小,但会显著促进（Cr,Fe）₇C₃、（Cr,Fe）₂₃C₆、（Cr,Fe）₂（C,N）和χ相等富Cr相析出。在1000 ℃,50 MPa的蠕变过程中,这些富Cr相会显著粗化长大、并相互连接使晶界膜状化,严重降低合金的蠕变寿命。因此,在下一阶段合金设计中,需要严格控制各富Cr相的含量。本工作第二阶段的合金设计主要围绕C、N在Nb稳定化奥氏体耐热铸钢中的微合金化作用展开。首先通过相图计算方法（CALculation of PHAse Diagrams,CALPHAD）对实验合金各析出相(NbC/Nb（C,N）、（Cr,Fe）₂₃C₆、（Cr,Fe）₂（C,N）和δ铁素体)的含量进行预测和限制,并优化C、N的添加范围,进而设计四种不同N/C比的Nb稳定化奥氏体耐热铸钢。研究结果表明:实验合金中的NbC/Nb（C,N）、（Cr,Fe）₂₃C₆和δ铁素体的含量经统计均与CALPHAD计算结果高度吻合,但NbC/Nb（C,N）的形貌随N/C比的增加逐渐从草书体状转变为混合片块状,再转变为多面体块状。据此,本工作建立了三种组织模型,分别为草书体型、片块型和块型。草书体型合金在1000 ℃,35～50 MPa的蠕变过程中均表现出优异的蠕变抗力,主要得益于其草书体状初生NbC/Nb（C,N）能有效提高合金晶界和枝晶间区域的强度,而纳米级二次NbC/Nb（C,N）能有效钉扎位错,进一步提高奥氏体基体的强度。（Cr,Fe）₂₃C₆和δ铁素体仍然是合金蠕变断裂的主要裂纹源,其含量需要进一步限制,尤其是δ铁素体。三种模型合金凝固行为的研究结果表明:N/C比的增加可以显著提高NbC/Nb（C,N）和δ铁素体的凝固温度,进而影响合金的凝固路径和最终凝固组织。草书体状NbC/Nb（C,N）的凝固温度较低,因而在凝固后期经共晶反应形成。δ铁素体的凝固温度高于γ奥氏体,在温度下降时会发生包晶反应。CALPHAD方法模拟的三种模型合金各相（NbC/Nb（C,N）、γ奥氏体、δ铁素体）的凝固顺序与定向凝固实验结果符合较好,但这些相的计算凝固温度与实验结果仍有一定误差。尽管如此,用CALPHAD方法模拟实验合金各相的凝固顺序,进而预测凝固组织是切实可行的。根据以上三部分的研究结果和认识,本工作建立了Nb稳定化奥氏体耐热铸钢的合金成分、凝固路径、显微组织和蠕变性能之间的关系,从而初步建立了基于集成计算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering,ICME）的新型Nb稳定化奥氏体耐热铸钢的合金设计方法。该方法把多尺度计算模拟和关键筛选实验集成到奥氏体耐热铸钢合金设计开发的全过程中,可以提高新合金研发的效率,并降低研发成本。