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加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Systems,ADS）是世界各国在核电领域研究的热点。ADS系统的关键技术之一,是将大比热容的液态Pb-Bi合金用作传输媒介,以提高核电站的热循环效率。但结构材料在承载Pb-Bi合金的同时将受到循环改变的温度梯度作用,沿冷却液流动方向萌生疲劳裂纹,易引发结构材料的热疲劳失效。因此,提高结构材料的高温强度和热疲劳性能势在必行。T91钢是ADS系统重要的备选结构材料之一,拥有良好的高温性能。本文的主要研究内容是采用定向凝固的方法对其晶粒取向进行优化,合理调控其微观组织和机械性能,尤其是提升T91钢的热疲劳性能,以满足ADS系统的实际应用需要。使用液态金属冷却定向凝固法（Liquid Metal Cooling,LMC）制备了30μm/s、90μm/s和180μm/s三种凝固速率的试样,均存在明显的柱状晶,并且柱状晶主要存在于试样中间位置。试样初始凝固区的主要相是马氏体和残余奥氏体,α铁素体和短棒状的δ铁素体集中于中间凝固区,柱状晶宽度范围是50400μm,最后凝固区出现了大片的板条马氏体、δ铁素体和残余奥氏体,并夹杂着Cr23C6、NbC、VN等多种碳化物和氮化物。凝固速率为90μm/s的试样内部的柱状晶连续度最高,定向组织明显。定向凝固试验后材料的弹性模量值相比铸态试样均有降低,三种定向凝固试样的弹性模量的大小关系为:E90μm/s180μm/s30μm/s铸态合金。凝固速率为90μm/s时试样的弹性模量比铸态合金平均降低39.23%,最大降低了50.66%。距离试样端部1/2处位置弹性模量更低;存在两个以上方向的枝晶,或者相界不确定的马氏体,都会使弹性模量值显著增加;柱状晶的生长方向与抽拉方向越接近,弹性模量越低;树枝晶的弹性模量低于柱状晶。随着热疲劳循环次数的增加,定向凝固试样和铸态合金的硬度均呈下降趋势,铸态合金的硬度衰减幅度高于定向凝固试样,凝固速率为90μm/s时试样的抗循环软化能力最强。试验结果表明,不同试样的抗热疲劳裂纹萌生能力依次为:P铸态合金180μm/s30μm/s90μm/s;抗热疲劳裂纹扩展能力依次为:Q铸态合金23C6,尺寸为25μm。随着凝固速度的提高,T91钢的硬度值逐渐升高,凝固速率为30μm/s、90μm/s、和180μm/s试样的显微硬度比铸态合金分别提升了14.4%、35.0%和44.4%。