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超超临界机组作为高效火力发电机组,有助于实现火力发电的节能减排,是目前世界各国大力发展的火力发电机组。超超临界机组对材料的要求更高,其中末级叶片是超超临界机组中的关键部件,主要采用马氏体型耐热钢生产。目前,国内尚不能自主生产高品质超超临界机组汽轮机末级叶片用马氏体耐热钢,仍存在很多尚未突破的技术难题,如锻造技术、热处理技术、力学性能各向异性消除技术、低温初性改善技术、δ铁素体消除技术等,尚未掌握其综合质量控制技术,限制了我国超超临界机组的发展。基于上述背景,国家"十二五" 863计划提出超超临界机组汽轮机末级叶片用马氏体耐热钢开发项目。本文以600℃级超超临界机组汽轮机末级叶片用钢10Cr12Ni3Mo2VN为研究对象,围绕组织性能作用机理和综合质量控制技术两个主题,对马氏体耐热钢中的几个共性科学问题以及技术难点进行系统研究,力求推动马氏体耐热钢的进一步发展,同时为超超临界机组汽轮机末级叶片用马氏体耐热钢的国产化奠定基础。通过对相变规律研究,明确了10Cr12Ni3Mo2VN钢相变规律,测得相变温度Ac1和Ac3分别约为750℃和925℃,δ铁素体析出温度约为1200℃,以及连续冷却相变规律,冷速大于等于0.05℃/s时,奥氏体化后冷却时仅发生马氏体转变。为锻造工艺和热处理工艺的制定和优化提供理论依据。通过对热处理工艺研究,明确了淬火和回火工艺对10Cr12Ni3Mo2VN钢力学性能的影响规律,并提出优化的热处理工艺。此外对10Cr12Ni3Mo2VN钢625℃回火脆性进行研究,发现该回火脆性属于不可逆回火脆性,可通过在更高温度回火消除。明确了回火过程中各类析出相的析出规律,及其对力学性能的影响机理,揭示了625℃回火脆性是由于M23C6沿晶界和马氏体板条界析出导致的。通过对10Cr12Ni3Mo2VN钢低温韧性的研究,明确了晶粒尺寸、大尺寸M23C6(直径500nm以上)以及回火温度是影响10Cr12Ni3Mo2VN钢低温韧性的主要因素。细化晶粒和提高回火温度能够显著提高低温韧性,而大尺寸M23C6则严重破坏低温韧性,并揭示了晶粒尺寸和大尺寸M23C6对低温韧性的作用机理。明确了10Cr12Ni3Mo2VN钢低温韧性达到FATT50≤-35℃要求的组织控制目标。通过对10Cr12Ni3Mo2VN钢力学性能各向异性研究,明确了力学性能各向异性是由组织中沿锻材轴向分布的条带状δ铁素体导致的,与其他析出相无关,且热处理工艺对力学性能各向异性影响不大。揭示了δ铁素体对力学性能各向异性的作用机理,δ铁素体通过促进条带状脆性裂纹的产生降低锻材横向冲击性能。明确了消除力学性能各向异性的关键是消除锻材中条带状δ铁素体。遍过热模拟实验对10Cr12Ni3Mo2VN钢高温变形行为研究,测得完全动态再结晶温度约为1100℃,明确了高温变形组织对热处理后组织的遗传性,以及变形温度和变形量对组织的影响规律。揭示了10Cr12Ni3Mo2VN钢在800℃的高温拉伸脆性是由于高温下晶界弱化,变形时晶界滑移产生沿晶裂纹导致,细化晶粒有助于改善高温塑性。提出了采用高温大变形工艺实现组织均匀化和细化的锻造技术。研究表明室温下锻材中的δ铁素体属于非平衡相,是由于电渣锭化学成分显微偏析造成的。锻材中δ铁素体难以通过热处理工艺消除,电渣锭中δ铁素体可通过高温固溶减少,但固溶速率较低。研究发现高温变形能够显著提高δ铁素体的固溶速率,高温变形通过增加δ铁素体表面积和内部晶界促进6铁素体固溶。提出了通过大变形后固溶提高δ铁素体固溶速率的技术,并提出了消除δ铁素体的综合控制技术。结合基础特性和组织性能关系的研究,提出了高品质10Cr12Ni3Mo2VN钢包括热变形工艺、热处理工艺以及组织性能控制的综合质量控制技术,并应用于实际生产,实现了无δ铁素体、无各向异性、低温韧性良好的高品质10Cr12Ni3Mo2VN钢国产化稳定大生产,以及叶片的制造和装机使用。