低碳9Ni钢是一种Ni含量为9%的铁镍合金,具有优良的低温韧性、良好的焊接性能及较低的成本等特点,目前主要应用于储存和运输液化天然气的储罐轧板等领域,随着9Ni钢的发展,虽然其逐渐从热轧板领域应用到锻件领域,如低温阀、叶片等,但目前国内还未有在大截面锻件方面的应用。在某些低温工程中对大型压缩机性能需求的不断提高,且压缩机在服役过程中工况复杂,需反复启停数十万次,受力情况复杂,因此,对压缩机关键部件主轴的性能指标提出了极高的要求。本文采用数值模拟与实验相结合的方法,展开了某低温工程用压缩机主轴9Ni钢大锻件前期材料设计研发工作。本文的主要研究内容如下:首先,对当前工业级9Ni钢在压缩机主轴大锻件上应用时的组织及性能进行系统性研究。通过有限元模拟的方法,研究了对9Ni钢主轴大锻件800℃水淬过程中的温度变化规律,获得主轴直径为1200mm时表面、1/2半径及中心处的温度变化曲线。随后通过采用热处理模拟炉进行模拟实验,并对其进行力学性测试,结果显示当前工业级9Ni材料不能满足压缩机主轴性能设计指标。其次,对9Ni钢主轴大锻件的成分进行了优化,分析了C和Mo元素含量对压缩机用9Ni钢主轴大锻件不同位置组织及力学性能的影响,得到了C和Mo元素对压缩机主轴性能的影响规律,通过扫描电镜、透射电镜、显微镜等设备研究了主轴在淬火和回火过程中组织演化规律,并得出了低温韧性及强度均能满足工程指标需求的9Ni钢成分范围。最后,对稀土含量不同的9Ni钢的组织、晶粒度、夹杂物进行了分析,研究了稀土不同加入量对9Ni钢低温韧性的影响。适当的稀土加入量可变质夹杂物、细化晶粒、提升9Ni钢的低温韧性。通过力学性能测试,并结合低温韧性、强度、断裂韧性、疲劳强度等实验数据,得出了压缩机9Ni钢主轴锻件合理的化学成分范围,为压缩机主轴用9Ni钢的制备提供了理论指导。