目前,最先进的商用超超临界电站用马氏体耐热钢P92的极限使用温度为628℃。为推进先进超超临界电站建设、提高发电效率、降低煤耗,钢铁研究总院自主研发了新型马氏体耐热钢G115,使其极限服役温度突破至650℃,具有重大的工程意义。相比现有9-12%Cr马氏体钢,G115钢通过添加1.0%的沉淀析出型元素Cu,获得了持久强度的较大提升。然而,由于G115钢中析出相复杂、制样时Cu的优先腐蚀等问题使得Cu析出相表征困难,钢中Cu的存在形式、分布状态及作用机制等尚不清楚,阻碍了该材料强化机制的揭示与性能的进一步提升。因此,亟需开发新的分析方法应用于G115钢中Cu的表征,并据此深入研究G115钢中Cu的成分-组织结构-性能相关性。本文主要研究内容,如下所述:一)G115钢中Cu的跨尺度筛查表征以时效态G115钢为研究对象,本文提出了一种从宏观至微观逐级筛选特征区域、特征单元的跨尺度分布分析方法,并将其应用于Cu的筛查表征。基于含Cu特征单元的电子衍射及能谱分析,首次发现G115钢中形成了FCC结构的富Cu相,其含Cu量大于90%。基于多视场的统计分析,研究了富Cu相的分布状态:富Cu相沿板条界等界面分布,常与M23C6、Laves相共生,也可独立分布于界面处,且其周围往往分布有大量位错;富Cu相多为球形或椭圆形,平均直径114 nm。二)G115钢中Cu的析出行为及其成分-组织结构-性能相关性研究本文设计了Cu含量分别为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%的G115钢,结合Thermo-Calc热力学理论计算,通过对不同工艺下不同Cu含量试验钢的组织结构和性能表征,研究了G115钢中Cu的成分-组织结构-性能相关性。该部分主要研究内容,可分为以下三个方面:1.采用Thermo-Calc热力学模拟软件,计算了不同Cu含量G115钢的平衡相图,研究了热力学平衡条件下Cu含量对相组成、含量及析出温度区间的影响。结果显示:不同Cu含量G115钢中主要析出相均为M23C6、Laves相、MX和富Cu相。随着Cu含量的升高,G115钢中?→?转变的起始温度逐渐降低,转变温度区间逐渐扩大;Laves相、M23C6和MX的析出量变化不大,各析出相固溶温度逐渐升高;富Cu相的析出呈线性增长。2.基于不同温度下材料金相组织-硬度相关性,开发了实际热处理条件下c1A点的测试方法,确定了实际热处理工艺下不同Cu含量G115钢的c1A点;系统研究了不同热处理条件对试验钢组织结构、性能的影响,结合c1A点测试结果,优化了热处理制度:1100℃×1h A.C.+770℃×3h A.C.。3.为进一步探究G115钢中Cu的析出行为,以不同时效时间、不同Cu含量G115钢为研究对象,采用跨尺度分布分析方法系统研究了时效前后Cu的演变趋势。研究表明:随着时效时间的延长,G115钢基体中Cu含量逐渐降低,Cu以富Cu相形式析出并在时效过程中逐渐长大。当回火态G115钢中Cu含量为0.50%时,未发现富Cu相析出;随着Cu含量升高至1.04%及以上,开始析出富Cu相且析出量逐渐增多。不同Cu含量G115钢经650℃时效1000 h后,均有富Cu相析出且随Cu含量升高,富Cu相析出量逐渐增多。因此,G115钢中Cu含量的升高及时效过程的进行均促进富Cu相的析出。此外,研究了不同工艺下G115钢中Cu的成分-组织结构-性能相关性:随着Cu含量的升高,试验钢奥氏体晶粒尺寸减小,固溶处理后未溶颗粒增多,促进了Laves相的析出;时效过程中材料硬度和高温强度缓慢升高,高温塑性则有所下降。因此,应合理控制G115钢中Cu含量以确保材料具有良好的高温强塑性。综上,本文提出了一种跨尺度分布分析逐级筛选特征区域、特征单元的方法并应用于G115钢中Cu的表征,首次发现G115钢中形成了FCC结构富Cu相,揭示了Cu的分布状态、析出行为等,研究了不同工艺条件下G115钢中Cu的成分-组织结构-性能相关性。这不仅为G115钢的改进及优化积累了关键的跨尺度实验数据,还为其他耐热钢的组织演变和作用机理研究提供了一种有效手段。