随着节能环保、海洋工程、石油化工等重点领域相关的高端装备制造业的迅猛发展,对高性能、长寿命、低成本关键材料的需求与日俱增。作为不锈钢“塔尖”的超级奥氏体不锈钢以其超级的耐腐蚀性能、优良的综合力学性能和相对低廉的成本优势备受青睐,已成为高端装备制造业最急需的关键材料之一。然而,超级奥氏体不锈钢是不锈钢中制备技术要求最高、制造难度最大的一类品种。目前国际上只有极少数企业掌握其核心技术,并且严格对外保密。我国超级奥氏体不锈钢的研究与开发水平落后,高牌号产品尚未实现国产化,大量依赖进口,价格昂贵、交货周期长,已成为制约我国高端装备制造业转型升级的“卡脖子”难题。本文紧密围绕超级奥氏体不锈钢S32654高洁净度冶炼、热变形行为、时效析出与晶间腐蚀行为、典型服役环境中的腐蚀行为和搅拌摩擦焊接工艺开展深入系统的研究工作,旨在为我国高性能超级奥氏体不锈钢的品种开发提供支撑,进而满足高端装备制造业转型升级的材料急需。开发出了 Al+Mg+Ce复合处理的高洁净度冶炼工艺,实现了超低氧硫控制和夹杂物无害化控制。Mg处理将Al2O3变性成MgAl2O4。少量Ce处理将MgAl2O4变性为CeAlO3和MgO。随着Ce质量分数提高,氧化物和硫化物夹杂被分别完全变性成Ce2O3和CeS。基于Ce对氧硫质量分数和夹杂物的影响,Ce的质量分数应控制在0.008%～0.024%。随变形温度和变形速率提高,变形抗力分别逐渐减小和增大。随N质量分数提高,位错运动受阻,变形抗力增大,热加工难度提高。结合Zener-Hollomon参数和Arrhenius双曲正弦函数,构建了 S32654流变应力本构方程,发现提高N质量分数会导致热变形激活能显著增大（低氮钢（L-N）:767.54 kJ·mol-1,高氮钢（H-N）:834.22 kJ·mol-1）。热变形过程动态再结晶机制为晶界“凸起”形核。随变形温度升高,位错密度降低,动态再结晶程度提高。随变形速率增大,绝热升温作用增强,动态再结晶程度先降低后升高。在不同变形条件下,N显著抑制位错运动及小角度晶界向∑3或∑9晶界转变;同时,N还促进晶界析出,导致析出相钉扎晶界作用增强。N在这三方面的综合作用显著抑制了动态再结晶的进行,导致最佳热加工窗口变窄（L-N钢:1150～1200℃、0.5～4.5s-1和 1200～1250℃、0.2～4.5 s-1;H-N 钢:1200～1250℃、0.5～4.5 s-1）。在700～1100℃,σ相随温度升高的析出顺序为晶间、胞状和晶内。在S32654中首次发现了胞状σ相,其生长依次受Cr、Mo的晶间扩散和体扩散控制。Cr、Mo的体扩散和大尺寸针状σ相阻碍了胞状σ相的生长。长时间时效后,胞状σ相诱导Cr2N在胞状物前沿、片层σ相之间和σ/γ界面析出;通过Cr、Mo扩散,局部针状σ相逐渐转变为Cr2N和R相。在1000℃,σ相、Cr2N和π相相继形核并逐渐长大。建立了有效、可靠、定量评价S32654晶间腐蚀敏感性的DL-EPR方法。二次相的析出导致其周围形成了明显的Cr、Mo贫化区,引发晶间腐蚀。Cr质量分数提高,σ相析出驱动力和Cr活度增大,Cr2N析出驱动力和Mo活度减小,促进了 σ相析出,抑制了 Cr2N、R相和π相析出。Mo质量分数提高,σ相析出驱动力和Mo活度增大,Cr2N析出驱动力和Cr活度降低,显著加速了 σ相析出,抑制了Cr2N和π相析出。Mo对σ相析出的促进作用强于Cr。Cr和Mo对析出的促进加速了Cr、Mo贫化区形成,提高了晶间腐蚀敏感性。N质量分数提高,Cr2N析出驱动力和Mo活度增大,σ相析出驱动力和Cr活度降低,促进了晶间Cr2N和π相析出,抑制了晶内σ相形成。受析出相总量影响,晶间腐蚀敏感性随N质量分数提高先降低后升高。在模拟垃圾焚烧环境中,400和500℃时,S32654不发生热腐蚀,耐蚀性与S31254和Inconel 625相当。600℃时,S32654在熔融氯盐“电化学腐蚀+氯活化腐蚀”和熔融硫酸盐“碱性助熔腐蚀”联合作用下,发生灾难性腐蚀。800℃时,熔融氯盐和熔融硫酸盐腐蚀显著加速;析出相的形成加速基体Cr、Mo贫化,降低保护性氧化层形成能力,促进元素外扩散。在熔融盐和析出相共同作用下,S32654遭受了灾难性腐蚀。低于600℃,S32654耐热腐蚀性能与镍基合金Inconel 625相当,有望成为垃圾焚烧设备理想的候选材料。在模拟烟气脱硫环境中,S32654的耐腐蚀性能显著优于镍基合金C-276。两种材料的点蚀均萌生于夹杂物/基体界面,并向夹杂物拓展。S32654和C-276的浸泡腐蚀分别以轻微点腐蚀和严重晶间腐蚀为主,腐蚀程度随时间延长和温度升高逐渐加重。S32654中高质量分数的Cr和N有利于Cr2O3、NH3和CrN在钝化膜中富集,促进更为致密、稳定、保护性更强的钝化膜形成,从而使其耐腐蚀性能优于C-276。S32654的力学性能同样优于C-276,有望成为其替代材料应用于烟气脱硫设备。利用搅拌摩擦焊接工艺对S32654进行了焊接,获得了无缺陷、无氮损失、表面质量和内部质量优异的焊接接头。在热循环和强烈的机械搅拌综合作用下,焊核区发生了明显的连续动态再结晶,晶粒高程度细化。并且,应变速率对S32654的晶粒细化起主导作用。晶粒细化、高密度位错和亚结构的联合作用提高了焊接接头的硬度和强度,但大幅降低了塑性。转速300 rpm、焊接速度100 mm·min-1的焊接工艺更适用于S32654的焊接。