转子钢X12CrMoWVNbN10-1-1,在COST 501项目中被称为E钢,属于改型9%Cr先进铁素体耐热钢,是上世纪80年代中期至90年代中期由欧洲历时十年开发成功的。上海汽轮机厂已将该钢种应用于超超临界汽轮机组的高压和中压转子。然而我国在汽轮机用9%Cr先进铁素体耐热钢领域的技术储备长期不足,与国外相比有很大差距。因此,迫切需要对这些先进材料进行研究,以掌握并消化其关键技术,为设计开发提供充足的材料性能数据。本文主要研究了超超临界汽轮机转子用X12CrMoWVNbN10-1-1先进铁素体耐热钢的常规力学性能、断裂韧性、物理性能;研究了X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢长期持久性能以及组织变化,转子钢在长期服役过程中相的演变规律等;研究了X12CrMoWVNb N10-1-1转子钢的疲劳裂纹扩展行为以及单轴蠕变-疲劳性能。结果发现:X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢轴向和切向的室温屈服强度和抗拉强度差别甚微,延伸率和断面收缩率基本一致。随着试验温度的提高,X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢的屈服强度和抗拉强度降低,到达400℃后,下降趋势明显加快;随着试验温度的提高,X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢的延伸率和断面收缩率先是略有下降,到达400℃后,延伸率和断面收缩率呈明显的上升趋势。X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢轴向的断裂韧性J1c值和裂纹扩展阻力明显高于切向,表明转子在切向上易于延性起裂和裂纹扩展。相变点的热力学计算结果表明,合金成分在规范范围内变化,其相变点差异较小,在确定热处理制度时,可忽略相变点差异的影响。用等温线外推法对持久断裂试验数据进行外推,得到X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢在600℃,10万小时的持久强度为142.49MPa,在650℃,10万小时的持久强度为58.21MPa,X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢的持久性能达到预期目标要求。对于持久试样标距内的样品,随着持久时间的延长,M23C6型碳化物的聚集粗化越严重;而头部样品中的M23C6型碳化物变化不明显,所以,应变加速了M23C6型碳化物的粗化。Laves相的定量结果显示,持久试样头部和标距内样品中Laves相的平均晶粒尺寸随时间的延长而增大。同时可以看出头部样品的Laves相平均粒径较大。X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢的轴向和切向试样的的疲劳裂纹扩展速率da/dN均随应力强度因子幅度△K的增加而增加,二者有很好的相关性。轴向和切向试样的疲劳裂纹扩展速率基本一致。疲劳裂纹的扩展可用Paris公式da/dN=c(△K)m描述,轴向试样的疲劳裂纹扩展速率的拟合关系式为:da/dN=5.716E-09(△K)2.956;而切向为:da/dN=6.614E-09(△K)2.913。随着保载时间增加,第二阶段的非弹性应变能、稳态棘轮应变和棘轮应变率随之增加,表明了蠕变会促进棘轮效应;随着保持时间增加,材料的蠕变疲劳的失效寿命随之减少。当保持时间大于10min后,材料的失效寿命的变化不大,基本保持一致。应力比对第二阶段的平均应变、非弹性应变范围和非弹性应变能的影响不大。