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纳米结构氧化物弥散强化钢(纳米结构ODS钢)特征性的微观结构—超高密度弥散分布的纳米尺寸氧化物,使其具有优异的抗辐照、抗氦脆性能和良好的高温强度,成为未来聚变堆第一壁/包层领先的候选结构材料。纳米结构ODS钢作为一种新型核结构材料,还有许多基础性问题仍未解决,如对性能至关重要的纳米析出相的形成和控制、纳米析出相辐照稳定性等。本文通过机械合金化法,结合热等静压和放电等离子烧结技术制备出多种纳米结构ODS钢,深入研究制备工艺对纳米结构ODS钢微观结构特别是纳米析出相的的影响；利用高能离子加速器开展注He和重离子辐照实验,研究纳米析出相对He泡形成的影响,高辐照剂量下纳米氧化物的稳定性等。主要结果如下：(1)研究了行星式球磨(Frisch P5)和三维震动球磨(SPEX8000)对粉末机械合金化过程的影响。两种球磨方式的机械合金化进程近似,粉末颗粒随球磨时间的变化大致分为四个阶段：第一阶段,冷焊主导,颗粒出现复合层状结构,平均粒度迅速增大,合金元素和Y203开始固溶；第二阶段,破碎逐渐开始主导,片层结构破碎成细小碎片,粒度迅速下降；第三阶段,冷焊和破碎趋向平衡,粉末粒度下降变缓,合金元素均匀固溶,在此阶段达到最佳球磨时间；第四阶段,粉末开始团聚,污染增加。三维震动球磨因其具有更高的冲击能,机械合金化所需时间从行星式球磨(270rpm)的50h减少到20h。(2)通过机械合金化和放电等离子烧结(SPS)技术制备出具有超细晶粒的新型纳米结构ODS钢。由于SPS烧结温度低、保温时间短,样品的致密度对烧结温度比较敏感。温度过低会导致材料致密度的下降,过高导致发生过烧,最佳烧结温度约为950℃ SPS因其特殊的高频脉冲加热方式,导致粉末颗粒表面温度较高而内部温度较低,因此形成粗大晶粒和超细晶粒的混合组织。(3)SPS样品超细晶粒中的纳米析出相以富Y-Ti-O的纳米团簇为主,平均尺寸5.9nm,密度1.75×1022个/m3；大晶粒中的析出相以黄绿石结构的Y2Ti2O7相为主,平均尺寸15.0nm,密度为1.3×1021个/cm3。(4)利用机械合金化和热等静压(HIP)制备的ODS钢致密度均达到98%以上,对烧结温度的变化(900℃-1200℃)不敏感。热等静压温度对纳米结构ODS钢晶粒尺寸有着显著影响,温度升高,晶粒尺寸增加。(5) HIP-ODS钢中出现了三种的析出相。一种是超高密度弥散分布的非化学计量比富Y-Ti-O纳米团簇,尺寸通常<5nm,与基体共格；第二种是黄绿石结构的Y2Ti2O7相,尺寸一般在5-20nm,与基体半共格或非共格；第三种是大尺寸的析出相,尺寸一般在几十到几百纳米之间,主要分布在晶界上。在含Ti、Mn的ODS钢中,这些大尺寸相是尖晶石结构的Mn(Ti)Cr2O4相,在不含Ti的ODS钢中出现了Cr2O3相,在含Ti不含Mn的ODS钢中形成了富Cr-Ti-O相。(6)Y/Ti原子比和热固化温度对纳米析出相/团簇的形成有显著的影响。制备了Y/Ti=0.14、0.4、0.989和无Ti的四种ODS钢。在0.4-Y/Ti 9Cr ODS钢中的纳米析出相/团簇的平均尺寸最小(3.0nm),密度最高(1.3×1023个/m3),富Y-Ti-O纳米团簇在所有纳米析出相中的比例最高。随着热等静压温度的上升,Y-Ti-O纳米析出相/团簇平均尺寸增大,密度降低。在低温固化时,ODS钢更倾向于形成与基体共格的富Y-Ti-O纳米团簇,Y2Ti207比例较少；而随着固化温度的上升,Y2Ti2O7比例相对增加。(7)利用400keV He+,在400℃下对三种材料进行离子注入实验,剂量4×1017He/cm2。研究发现在两种ODS钢(SPEX-9CrODS钢(#1)和SPS-9Cr ODS钢(#2))中,氦泡尺寸明显小于无纳米氧化物的F/M钢Eurofer 97, SPEX-9Cr ODS(#1)钢中氦泡尺寸比SPS-9Cr ODS钢(#2)中更小,这是由于高密度的纳米氧化物与基本界面可以吸附大量氦原子,使其形成纳米尺寸的氦泡分布在基体中,纳米析出相尺寸越小、密度越高,则其抑制氦泡粗化的能力越强。(8)两种纳米结构ODS钢受到高剂量的重离子辐照后(SPS-9Cr ODS钢(#2)：460℃,5MeV,4.6×1017Fe/cm2,预注10appm及100appm氦；0.14-Y/Ti9Cr ODS冈(#4)：350℃-550℃,9MeV,7.6×1016 Au/cm2),均未发现肿胀现象,而在同等辐照条件下的F/M钢和316Ti奥氏体不锈钢中均发现了不同程度上的肿胀,说明纳米结构ODS钢具有优异的抗辐照性能。这种优异的性能一方面是因为纳米析出相与基体的界面可以促进辐照引起的点缺陷-空位与自间隙原子的重新复合,并且高密度的纳米氧化物对空位具有强烈的钉扎作用,避免了空位聚合形成大尺度的空位团；另一方面是在辐照后,纳米氧化物中溶质原子固溶到基体中,并通过扩散与辐照产生的空位结合,使得空位湮灭,这种特殊的性能让ODS钢拥有了“自修复”功能。(9) SPS-9Cr ODS钢(#2)中纳米氧化物受到高剂量的Fe离子辐照(5MeV,460℃, 133dpa/188dpa/300dpa)后,随着损伤量的增大,纳米氧化物尺寸减小,密度增高；0.14-Y/Ti9Cr ODS钢(#4)中纳米氧化物在不同辐照温度下(350℃～550℃)受9MeV Au离子辐照200dpa后,尺寸、密度和体积分数均随温度的增加先下降后上升,在450℃和500℃达到最低。这些说明,高能量高剂量的离子辐照,可能会导致纳米氧化物不稳定。纳米氧化物受到高剂量的离子辐照后,其变化受“固溶-再析出”机制影响。在辐照温度不变的情况下,损伤量越高,纳米氧化物尺寸越小,密度越高。损伤量相同,不同的辐照温度下也会影响纳米氧化物的稳定性,在0.45Tm(熔点的0.45倍)温度附近,纳米氧化物的稳定性最差。