随着航空、航天科学技术领域的不断发展,对承力构件材料性能的要求逐渐提高,使得拥有超高的强度及优异的综合力学性能的超高强度钢在该领域得到广泛应用。考虑到材料本身的寿命及使用安全性,具有超高强度、良好韧性以及优异的耐腐蚀性能的高强度不锈钢成为目前该领域的研究热点。针对海洋环境服役的关键承力部件对材料的迫切需求,钢铁研究总院研发出1900MPa级超高强度不锈钢的大规格棒材。该钢在工程化阶段中存在一定程度的合金元素偏析以及退火后硬度偏高等问题。针对上述问题,本文开展了铸态组织均匀性及优化预备热处理工艺等方面的研究。采用Thermo-Calc软件模拟了真空自耗冶炼铸锭的凝固过程,并利用Melt Flow-VAR研究了铸态组织演变规律以及合金元素的偏析情况,借助相分析及扫描电镜等手段研究了热处理工艺对微观组织的影响,通过研究热处理工艺改善了组织均匀性,同时获得了便于机械加工的最佳硬度匹配状态,为该钢的工程化提供了可靠的数据支撑。钢在平衡凝固状态的室温组织由马氏体、奥氏体、M23C6型碳化物、Laves相、α-Cr相构成。Melt Flow-VAR模拟计算结果显示,Cr、Mo元素在铸锭的心部和顶部富集,Co、Ni元素富集于边部及底部,一次枝晶间距尺寸在铸锭的边部为230～290μm,心部为520～540μm,二次枝晶间距在心部的尺寸为150～145μm。金相结果显示,铸锭边部组织细小,枝晶间距与模拟值吻合度;铸锭心部的组织粗大,枝晶间距的实际数值大于模拟结果。该结果为后续钢锭的热加工变形对铸态枝晶的破碎提供了参考依据。在实测结果中,钢锭的心部气体元素含量较高,在心部的[O]+[N]+[H]总含量比边部高2ppm,有害元素在铸锭中分布较均匀,[S]+[P]总含量为20ppm;另外,夹杂物的平均尺寸均小于4μm,心部的数量多于边部,夹杂物类型以由氧化物、硫化物及盐类为主,其中氧化物类夹杂含量超过总量的80%,氧化物的平均尺寸由铸锭顶部的3.7μm逐渐减小至底部的3.5μm。铸锭中各合金元素的宏观偏析较轻,在铸锭的心部及顶部浓度略有升高。铸锭锻造后经正火处理时发现,随着正火温度的升高,第二相的含量逐渐减少,M23C6型碳化物、Laves相、M6C型碳化物逐渐溶解,奥氏体含量增加,硬度逐渐降低;当正火温度为1020℃时,第二相的质量分数为0.1%,晶界处的第二相完全溶解,混晶现象基本消除,且晶粒未发生异常长大,该温度为最佳的正火温度。经正火后该钢随着回火温度的升高,硬度先降低后升高,700℃附近硬度值最低,钢中第二相及奥氏体含量逐渐降低,但温度高于700℃后在晶界上有粗大的第二相析出影响了组织连续性和均匀性,导致开裂倾向增加,在680℃回火时硬度较低,且析出相较均匀,特别是晶界上基本无第二相析出,因此该温度为最佳回火温度。因此,最佳预备热处理工艺为1020℃×1h+680℃×30h可获得更均匀的组织和较低的室温硬度,为该钢的工程化提供了数据支持。