水轮机转轮是水力发电的核心部件。以三峡700MW级水轮机转轮为代表的巨型水轮机转轮铸件对材料的综合性能要求高，生产制造难度大，国产化遇到困难。大型水轮机铸件国产化是我国水电发展急需突破的瓶颈之一。为摆脱我国水电发展受制于人的局面，急需对巨型水轮机转轮的材料和生产工艺进行系统研究，加快实现水轮机转轮铸件的国产化。本文系统开展了水轮机转轮用13Cr4Ni低碳马氏体不锈钢的化学成分、热处理工艺对其组织性能影响研究。提出了通过优化化学成分和热处理工艺定量控制13Cr4Ni低碳马氏体不锈钢中高温δ铁素体和逆变奥氏体两种关键第二相，从而提升材料性能的方法。在对铸件材料研究的基础上，结合计算机模拟，实现了三峡大型水轮机转轮叶片的近终形制造。主要研究工作和结论包括：　　 ⑴使用示波冲击、扫描电子显微镜、能谱分析仪、显微硬度仪等研究了δ铁素体对13Cr4Ni低碳马氏体不锈钢冲击性能的影响机制和消除大型水轮机转轮铸件中δ铁素体的方法。研究结果表明，在材料韧脆转变温度区间施加冲击载荷时，裂纹优先在δ铁素体中产生和扩展，进而诱发基体产生脆性断裂，使材料韧脆转变温度升高，这与传统理论认为的碳化物析出恶化材料韧性机制明显不同。低碳马氏体不锈钢中δ铁素体的析出不仅受化学成分的控制，也受材料高温阶段的冷却速率的影响。通过优化成分设计使Nieq/Creq≥0.42，且高温冷却速率不大于500℃/h可消除转轮铸件中的δ铁素体。　　 ⑵使用热膨胀仪、透射电子显微镜、能谱仪等系统研究了不同加热速率下两相区回火时，马氏体向奥氏体转变的相变机制。研究表明，低加热速率下(加热速率<10℃/s)两相区回火过程中马氏体向奥氏体的相变为扩散型相变，在合适的温度区间内回火后会有部分逆变奥氏体因富集奥氏体稳定化元素而存留至室温，逆变奥氏体和马氏体之间存在西山位向关系。高加热速率下(加热速率≥10℃/s)两相区回火过程中马氏体向奥氏体的相变为切变型相变，回火过程中产生的奥氏体难以在室温下稳定存在。　　 ⑶建立了BCC/FCC双相晶体塑性有限元模型，采用实验与晶体塑性有限元模拟相结合的方法，研究了逆变奥氏体改善材料韧塑性的 TRIP效应及其产物，分析了影响逆变奥氏体机械稳定性的因素。结果表明，逆变奥氏体在变形过程中会发生应力/应变诱导相变转化成马氏体，从而改善材料的塑韧性，提高材料的加工硬化能力。一次回火试样中含有的条状奥氏体机械稳定性较差，易发生应力诱导相变，提高了材料的屈服强度；二次回火试样不仅含有条状奥氏体也含有块状奥氏体，机械稳定性较好，多数奥氏体发生应变诱导相变，可有效提高材料的均匀塑性变形能力。逆变奥氏体和马氏体基体间的西山位向关系可有效缓解相界处应力集中，对逆变奥氏体的稳定性有重要影响。条状逆变奥氏体比块状逆变奥氏体的机械稳定性差的主要原因是条状奥氏体的两个端面与相邻的马氏体间不满足西山关系，易在变形中产生应力集中，从而导致逆变奥氏体发生相变。　　 ⑷根据三峡水轮机转轮铸件性能要求和逆变奥氏体相变机制，研究设计了一次正火两次回火的大型水轮机转轮铸件的热处理工艺，定量控制了逆变奥氏体含量。研究表明回火工艺对材料性能影响最大，最佳的回火工艺为620±10℃一次回火加590±10℃二次回火。一次回火的主要目的是对正火态的马氏体进行回火处理，并得到少量的逆变奥氏体和弥散分布的新生马氏体，为二次回火过程中逆变奥氏体的产生提供形核界面；二次回火的主要目的是在一次回火的基础上增加逆变奥氏体含量，提高逆变奥氏体机械稳定性，同时对一次回火过程中产生的新生马氏体进行回火处理。在此一正两回热处理工艺下，材料最终的组织状态为回火马氏体和10～18％的逆变奥氏体。　　 ⑸使用Procast模拟软件，实现了铸件热加工全流程变形预测的计算模拟。在水轮机叶片制造厂的实际生产成功应用，准确预测了叶片的变形趋势及变形量，有效指导了叶片模型的反变形设计，使叶片单面加工余量由40～50mm降至20mm左右。经化学成分优化、模具反变形设计和一正两回热处理后，成功生产出性能优异、加工余量均匀的大型水轮机转轮叶片。