超超临界汽轮机高中压转子是百万千瓦超超临界汽轮机组的关键部件,其服役蒸汽温度达到600℃、蒸汽压力达到30MPa。恶劣的工作环境要求转子拥有良好的材料综合性能,而材料的性能与微观组织有着直接的联系。因此研究转子材料在热处理过程中的微观组织演变规律及其与力学性能的关系,对于制定合理的热处理工艺以获得所要求的性能具有极其重要的学术价值和工程意义。本文采用多种材料表征手段,如物理化学相分析、X射线衍射、背散射电子衍射、扫描电镜、透射电镜和力学性能测试等,以X12Cr Mo WVNb N10-1-1钢为主要研究对象,探索其微观组织演变规律及其对力学性能的影响,从而为制定合理的热处理工艺,实现批量化生产中组织稳定性和均匀性的控制提供技术支撑。首先,研究了X12Cr Mo WVNb N10-1-1钢过冷奥氏体700℃(TTT图鼻尖温度)等温分解的相变机制、特征和动力学等问题。研究发现等温过程中所发生的扩散型相变产物主要为铁素体基体、Cr-rich M23C6、少量Cr-rich M2N和Nb-rich MN。析出相首先在原奥氏体晶界处形核长大,随着等温时间的延长,以胞状物的形式向奥氏体晶粒内部析出,并伴有γ→α的转变。以不同等温时间转变后所得到的微观组织作为初始组织,对其再次进行奥氏体化加热和晶粒尺寸的测定,结果发现随着等温时间的延长,奥氏体晶粒的细化效果越明显,当等温时间长达120h后,其细化效果不再显著增加。在此基础上提出了通过等温转变的方法实现奥氏体晶粒细化的机制,认为残余奥氏体含量是细化奥氏体晶粒的关键,并确定了该钢有效细化奥氏体晶粒的残余奥氏体临界体积分数约为3.2%。其次,研究了不同奥氏体化条件下,碳氮化物的溶解规律与奥氏体晶粒长大的关系。结果表明,1070℃保温60min后富Cr相全部溶解于基体中。Nb-rich MN相在1070℃奥氏体化过程中起初逐渐溶解,当保温时间达到180min后不再继续溶解。而在1010℃条件下,Nb-rich MN相没有发生溶解。1200℃保温90min之后,仅有少量的Nb-rich MN相存在。结合奥氏体晶粒长大规律,可发现Nb-rich MN相对奥氏体晶界有显著的钉扎作用,起有效钉扎作用的Nb-rich MN颗粒的临界直径和体积分数分别约为117nm和3.1×10-4。同时还发现,奥氏体晶粒的长大行为对后续冷却过程中的马氏体相变行为有显著影响,即奥氏体晶粒异常长大现象的存在可能是引起马氏体相变开始点分离的主要原因。再次,研究了不同淬火冷却条件对X12Cr Mo WVNb N10-1-1钢微观组织与冲击性能的影响。通过实验观察确定了铁素体形成的临界冷速在1~1.5℃/min之间,而抑制Cr-rich M2N和Fe-rich M3C析出的临界冷速分别大于1.5℃/min和600℃/min。将不同冷速冷却后的试样进行700℃/24h回火并测试其冲击性能。结果表明,水冷、空冷和炉冷后回火试样的冲击性能几乎相同,约为33J;冷速降为1.5℃/min时,其回火试样的冲击性能下降至23.3J左右。随着淬火冷速进一步下降,对应的回火冲击性能也随之降低。结合不同条件下的微观组织与冲击性能的分析,认为冷速过低造成硬化相Cr-rich M2N的析出是冲击性能降低的主要原因。最后,以1080℃/16h奥氏体化后炉冷得到的产物作为初始状态,系统地研究了回火温度与时间对微观组织演变规律和力学性能的影响。组织观察表明,550℃以下回火18h,有Cr-rich M2N、Cr-rich M7C3和Nb-rich MN的析出。570℃回火10h后有Cr-rich M23C6的析出。随着回火温度的升高,Cr-rich M7C3逐渐减少,Cr-rich M23C6逐渐增多。此外,基于物理化学相分析方法测定了提取的析出相中所含元素含量,着重分析了不同回火条件下析出相的析出行为。在此基础上确定了在回火过程中碳化物的析出序列为Fe-rich M3C→Cr-rich M7C3→Cr-rich M23C6。硬度测试显示,550℃以下回火时析出相较少,大量合金元素在基体中仍起着固溶强化作用,其硬度值基本稳定在430 HV10左右;550℃以上回火时,随着回火温度的升高,大量合金元素从饱和的基体中析出,削弱了固溶强化效果,硬度值逐渐降低。冲击性能显示,570℃以下回火时,由于大量Cr-rich M7C3的析出,在其周围存在微应力场,导致冲击值约为7.5J左右;570~700℃之间回火时,亚稳相Cr-rich M7C3逐渐向稳定相Cr-rich M23C6转变,微应力逐渐被释放,冲击性能略有提高;700℃以上回火时,马氏体基体发生回复,生成大量亚晶,导致冲击性能大幅度提高。