超级马氏体不锈钢是在传统马氏体镍铬不锈钢的基础上开发的一种超低碳型不锈钢，具有良好的耐腐蚀性及综合力学性能，同时还具有优越的焊接性能，是特大型冲击式水轮机转轮锻件的首选材料。随着冲击式水轮机组的不断大型化，锻件热处理有效截面已经达到1000mm以上，锻件自重已超150t。现役冲击式机组单机容量15万千瓦，额定水头595m。经过多年的发展，我国已掌握单机容量50万千瓦以下冲击式水轮机转轮的关键技术，研制高性能、超大型的冲击式机组是国家重大水电工程的迫切需求。其中，锻件心部组织决定了转轮的服役寿命。目前国内主要针对转轮服役工况和使用寿命进行材料设计研究，而针对大截面专用的锻件热处理方式对其心部显微组织的影响研究较少，本文通过试验揭示了热处理方式对大尺寸超级马氏体不锈钢04Cr13Ni5Mo转轮锻件中心部位显微组织的影响。

    特大型冲击式水轮机转轮材质为04Cr13Ni5Mo钢，采用整体锻造法，锻件自重32t，毛坯尺寸为φ2685mm×715 mm，如图1所示。水轮机转轮锻件技术要求为：心部组织晶粒度必须充分细化及均匀；δ-铁素体含量＜5% ；力学性能要求如表1所示。

     心部组织晶粒度按GB/T6402-2008《钢锻件超声波检验方法》进行100%的超声波UTA和UTS检测，底波降低系数R≤0.5，按标准中3级执行，但对于此类厚大截面马氏体不锈钢锻件晶粒细化存在极大难度。要求锻件0℃冲击吸收能量KV₂≥120J，且取样位置在锻件T/2（T为厚度）处，按常规处理工艺很难达到。因此，本文探索一种能够指导转轮产品生产应用的最佳工艺方案。

     为了消除实验室制备试样与工艺应用特大型钢锭的差异，试验材料取自Φ450mm×500mm锻态04Cr13Ni5Mo钢冲脱料（锻件实物冲孔料），其化学成分见表2。在冲脱料横截面上切取Φ450mm×22mm试样，根据GB/T 1979-2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》进行低倍检测，获得锻件热处理前的组织状态，检测结果如表3所示，试样未出现缩孔、裂纹等缺陷，可排除材料来源差异对试验结果的干扰。

     为确保预处理试验结果具有可对比性，要求试样初始显微组织必须趋近一致。因此，在冲脱料中心与边缘位置钻3根试棒，取样位置如图2所示，依次从里向外编号为1、2、3（试样2为备用试棒），试棒尺寸为Φ15mm×200mm。在1、3试棒两端各切取Φ15mm×15mm的试样，试样编号11（表面）、12（靠近心部）、31（表面）、32（靠近心部），进行夹杂物、δ-铁素体和晶粒度检测。

     根据用户提供的技术要求，夹杂物评定标准按GB/T 10561-2023《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》执行。取样检测结果如表4和图3所示，锻件夹杂物主要是B类及D类夹杂，夹杂物等级均≤1.0级，均未超过标准要求。组织中未发现δ-铁素体，组织均为板条马氏体，但马氏体板条较宽。对比发现4个试样的夹杂物、晶粒度评级基本一致，满足试验初始条件一致性要求。

     利用相变仪对本体试样进行相变点检测，检测结果A_c1＝586℃ 、A_c3＝880℃ ，根据生产经验，正火温度一般为Ac3相变点上浮（100±10）℃ 进行控制，若为二次正火，二次正火在一次正火基础上下调30℃ 。该材质传统热处理工艺控制为一次正火＋一次回火，为探索锻后热处理工艺对冲脱料组织晶粒度的影响，在传统工艺基础上，本文共设计了3种正火＋ 回火热处理方案，具体如表5和图4所示。

    表6和图5为不同工艺热处理后，04Cr13Ni5Mo钢锻件的夹杂物、晶粒度和显微组织检测结果。试样分别经工艺1、2及3热处理后，总体晶粒度和夹杂物并未有明显变化；相同热处理工艺（工艺1）下，表面和心部试样的检测结果基本相同，未出现明显差异，这可能是由于试样尺寸较小，不存在尺寸效应对组织的影响。从试样显微组织结果来看，相较于热处理前，组织变得更加均匀，说明针对该材质设计的3种锻后热处理工艺较为合理。

     为了更加细微观察不同工艺热处理试样的组织区别，利用扫描电镜对3种不同工艺下的试样进行组织观察，结果如图6所示。经过3种不同正火＋回火工艺处理后，组织由粗大的板条状马氏体转变为细密的回火索氏体。其中工艺3索氏体组织均匀性更好，而工艺1与工艺2索氏体形貌差异性较小，这说明增加正火工艺对最终组织状态没有显著影响，而增加回火工艺可使得索氏体组织更加均匀。材料性能由组织决定，因此工艺3处理试样的力学性能更好。

     图7和图8分别为3号样心部试样经工艺3热处理后的EDS面扫描和点扫描分析结果。从面扫描结果可知，Cr、Mn元素均匀分布在基体中，而Ni、Mo和Si元素则主要分布在晶界处。从点扫描结果可知，马氏体板条间的碳化物主要是Ni和Cr的碳化物，未见脆性相析出，表明具有较好的冲击性能。

     结合夹杂物、晶粒度和显微组织测定结果，确定04Cr13Ni5Mo钢锻件的最佳热处理工艺为：二次正火（990℃＋960℃）＋二次回火（550℃＋590℃）。

     转轮实际生产中，对04Cr13Ni5Mo钢锻件进行二次正火（990℃＋960℃）＋二次回火（550℃＋590℃）热处理，在本体取样进行性能及组织检测，结果如表7和图9所示。可见，经热处理后，锻件晶粒度为3.5级，较试验结果降低0.5~1.0级，这主要是由于成品锻件尺寸效应造成；0 ℃冲击吸收能量KV₂的平均值为235.1J，是标准下限值（120J）的195.9％ ，远超设计要求，原因是热处理使马氏体板条束宽得到细化（见图9），韧性指标大幅提高，更加符合冲击式转轮服役工况要求。夹杂物为Ｄ类，级别为1.0级，符合GB/T 10561-2023标准要求。拉伸性能除屈服强度稍低外，考虑存在测量误差，其余均符合技术要求。

    1）04Cr13Ni5Mo钢锻件经3种工艺热处理后，组织晶粒度和夹杂物并未有明显变化，晶粒度仍为4.0～4.5级。增加热处理回火次数，可使04Cr13Ni5Mo钢锻件马氏体板条束宽明显细化，组织变得更为均匀。

    2）锻件按二次正火＋二次回火热处理后，Cr、Mn元素均匀分布在基体中，而Ni、Mo和Si元素则主要分布在晶界处。马氏体板条间的碳化物主要是Ni和Cr的碳化物，晶界处未见脆性相析出，表明具有良好的冲击性能。

    3）实际生产中，对04Cr13Ni5Mo钢锻件产品经二次正火（990℃＋960℃）＋二次回火（550℃＋590℃）热处理后，本体取样晶粒度为3.5级，较试验结果减低0.5～1.0级，主要是由尺寸效应造成。冲击性能指标0℃KV₂为235.1J，是标准下限值（120J）的195.9％，远超设计要求。夹杂物为D类，级别为1.0级，符合GB/T 10561-2023标准要求。拉伸性能基本符合技术要求。