为适应节能环保的新要求,减少CO 2排放量,不断提高热效率已成为超超临界火电机组的技术发展方向。而决定火电机组热效率的主要因素是蒸汽温度和压力。更高的温度与压力对高温高压部段耐热材料及焊接技术的开发提出了更高的要求。9Cr-3W-3Co钢在630±20℃温度范围内不仅具有较好的组织稳定性和较高的持久蠕变强度,还具有很好的抗高温蒸汽氧化能力和较高的性价比,具备作为630℃机组的再热进汽管、中压联合气阀等零部件材料的良好前景。目前关于9Cr-3W-3Co新型马氏体耐热钢焊接工艺、焊接接头组织和力学性能方面的研究仍不充分,尤其是焊接接头的高温蠕变性能和疲劳裂纹扩展方面的研究较少。本文以9Cr-3W-3Co新型马氏体耐热钢为研究对象,采用ZD150-60C CV60M高压型真空电子束设备,通过正交试验对聚焦电流、电子束流、焊接速度和扫描频率等工艺参数进行了优化,获得了优质的焊接接头,并通过高温回火处理调控了焊接接头的微观组织和性能;通过一系列高温蠕变试验研究了焊接接头不同温度、不同应力条件下的高温蠕变行为,对焊缝金属在同一蠕变温度和不同应力条件下微观组织的演化规律进行了分析研究;探讨了温度对焊接接头各个区域疲劳裂纹扩展速率及寿命的影响,分析了显微组织对疲劳裂纹扩展的影响。（1）焊接接头组织和力学性能研究。利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等手段对比研究了焊接接头焊态和热处理态的组织,通过显微硬度试验、室温拉伸试验和冲击试验等方法对比分析了焊接接头焊态和热处理态的力学性能。结果表明:焊态焊接接头组织主要是由板条状马氏体、以及马氏体板条的边缘及板条界面处分布的M23C6和MX第二相析出物组成,且焊缝区、熔合区、热影响区的粗晶区和细晶区晶粒大小存在较大差异,焊缝区以等轴晶和少量柱状晶组成,焊态焊缝中第二相含量较少;因焊态快速不平衡冷却下焊缝及热影响区的马氏体转变,使接头马氏体板条中存在高密度位错。经过730℃8h高温回火后,焊接接头各区域由板条马氏体转变为板条状回火马氏体组织,相对母材焊缝金属的晶粒更细小,焊缝金属中部分马氏体板条束产生了不充分的多边形化转变,同时在板条的界面附近有较多的碳化物M23C6和MX相出现,且有聚集长大的趋势,析出相沿着界面呈带状连续分布。因焊接接头位错密度高,焊接接头焊态时的室温抗拉强度（平均值:735MPa）、屈服强度（平均值:698MPa）均低于回火态焊接接头,而显微硬度(焊缝金属平均值:442HV0.98N;热影响区平均值:381HV0.98N)均高于回火态焊接接头,且冲击韧性较低（焊缝金属平均值:7.6J;HAZ:12.2J）。经高温回火热处理后,焊接接头中位错密度显著降低,使得焊缝区的显微硬度显著降低(焊缝金属平均值:273HV0.98N;热影响区平均值:274HV0.98N),但仍然保持在略高于母材的水平(平均值:240HV0.98N),未出现软化现象,改善了焊缝金属和热影响区金属的韧性,同时由于焊缝及热影响区存在大量的第二相颗粒阻碍了位错运动,使得焊接接头的抗拉强度（平均值:750MPa）、屈服强度（平均值:707MPa）、冲击韧性（焊缝金属平均值:25.1J;HAZ:23.3J）等各项力学性能良好。（2）焊接接头高温蠕变行为研究。分别在630℃、650℃、670℃和不同应力条件下测试了焊接接头的高温蠕变性能。结果表明:相同温度条件下,蠕变断裂的时间随着试验应力的增大而显著变短;相同应力条件下,接头蠕变断裂的时间随着蠕变温度升高而显著变短;通过BMD方程,得到630℃、650℃和670℃条件下焊接接头门槛应力值分别为115.28MPa、104.73MPa和96.98MPa,得到了真应力指数约为6,通过推导获得接头真蠕变激活能为288.15k J/mol,与Fe的自扩散激活能（250-270k J/mol）非常接近,确定了焊接接头蠕变变形机制为位错攀移控制机制。在蠕变过程的缩颈断裂阶段,试样横截面积变小引起的损伤超过总损伤因子的75%以上,但微观组织引起的蠕变损伤占比较小。在蠕变断裂过程中,空洞不断聚集和长大,当空洞达到临界尺寸时,它们之间的局部塑性失稳,从而导致最终断裂。在应力-温度耦合作用下,接头中大部分M23C6在50°左右的大角度晶界上析出,只有小部分M23C6碳化物是在10°左右的小角度晶界上析出,而分布在基体内的MX碳氮化物相对稳定。9Cr-3W-3Co钢新型马氏体耐热钢真空电子束焊接接头在蠕变过程中蠕变断裂时间与蠕变温度和应力之间解析式为:tf=10（1/T）（98229.0857-20171.71187lgσ）-55.46772。（3）焊接接头疲劳裂纹扩展行为研究。分别在室温和630℃条件下,研究了焊接接头不同区域金属的疲劳裂纹扩展行为。结果表明:基于Paris公式,室温条件下,焊缝区和热影响区的疲劳裂纹稳态扩展速率表达式分别为da/d N=2.809×10-8（ΔK）1.948和da/d N=2.437×10-8（ΔK）1.994;630℃下焊缝区和热影响区的疲劳裂纹稳态扩展速率表达式分别为da/d N=3.43×10-7（ΔK）2.39和da/d N=2.68×10-6（ΔK）1.76。母材的疲劳裂纹扩展速率相对最高,焊缝区最低,而热影响介于两者之间;且随着温度升高,裂纹扩展速率增加,而疲劳裂纹扩展周期降低。焊接接头疲劳裂纹扩展断口为穿晶断裂形貌,由较平坦的近门槛值区、稳定扩展区和粗糙的瞬断区组成,室温下可见清晰的疲劳条带,而630℃时由于氧化严重,断口疲劳条带不清晰。焊缝区、热影响区的裂纹稳定扩展断口中存在大量二次微裂纹,二次裂纹主要通过碳（氮）化物/基体界面分离及碳（氮）化物本身开裂形成与扩展。二次裂纹的出现可以使得裂纹尖端的应力集中程度减小,从而减缓裂纹的扩展。焊接区疲劳裂纹扩展路径为曲折扩展;热影响区的疲劳裂纹沿板条块边界进行扩展,再加上该板条块边界呈弯曲状态,裂纹扩展路径在此处发生偏折。EBSD分析表明焊缝区和热影响区裂纹路径附近晶粒取向差也呈现相同的趋势,以取向差小于10°和50°-60°范围为主。裂纹主要是穿过板条块向前扩展,仅局部沿着板条块和板条束边界进行扩展。