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本论文通过Thermo-Calc热力学软件结合合金元素在铁素体系耐热钢中的作用，设计650℃使用条件下的超超临界汽轮机耐热钢的化学成分。根据设计化学成分进行合金熔炼。通过热膨胀仪测定材料的奥氏体转变温度和线膨胀系数，制定材料的热处理工艺参数；通过对材料进行不同温度的热处理，研究热处理温度对材料组织、力学性能的影响；详细讨论了δ铁素体的形成因素，以及δ铁素体和稀土的含量变化对材料力学性能的影响，并通过XRD、OM、SEM、TEM、EDS等方法，对材料中析出物的类型、形貌特征、分布状态等析出行为进行了分析讨论。研究结果表明：铁素体系耐热钢中的稳定相是α+MX+Laves+M23C6。分别采用W-Mo复合添加、C-N复合添加、V-Nb复合添加方法，控制析出相含量和δ铁素体相的生成。通过对材料进行1050℃、1100℃、1150℃正火和630℃-730℃五个不同等级的高温回火，在不同的正火+高温回火热处理后，材料的组织均为板条马氏体+δ铁素体组织，热处理温度对材料的微观组织有很大影响。通过进行力学性能测试，材料的抗拉强度高于标准值，但冲击性能较差；由于δ铁素体能够引起材料界面劣化，有助于裂纹的萌生和扩展，引起材料脆化，随着δ铁素体含量的增加，材料的冲击韧性显著降低。新型铁素体系耐热钢的最佳热处理工艺为1050℃-1100℃正火、670℃-700℃回火，材料在该热处理工艺条件下，能够获得优良的板条马氏体组织，最终获得优良的力学性能，经能谱和选区电子衍射分析，材料中的析出物主要有M23C6和MX两种类型。M23C6型碳化物在原奥氏体晶界、板条马氏体板条界、板条马氏体内部均有析出，在晶界和板条马氏体板条界析出的Cr23C6呈圆粒状或条链状，而该位置生成的（Cr，Fe）23C6呈短棒状，在板条马氏体内部形成的Cr23C6，呈短棒状，弥散分布在板条马氏体内；由V、Nb元素形成的MX碳化物或碳氮化物主要在板条马氏体内部析出，呈弥散分布状态，起到钉扎位错作用，增强材料强度和韧性。材料的线膨胀系数在650℃时为12.75(10-6·℃-1)，符合该钢种在650℃下使用要求；稀土的最佳添加量为0.10%，稀土添加过多会导致材料冲击功降低，韧性下降。适量添加稀土元素能够起到强化耐热钢晶界的作用，增加晶界位置碳化物数量，从整体上提高材料的力学性能。