随着航空发动机的发展,现役航空轴承钢已无法满足高性能、长寿命和高可靠性的要求。高氮不锈轴承钢硬度大、强韧性高、耐腐蚀和耐疲劳性能优异,在国外已成功应用于航空航天领域。然而,我国航空轴承钢的质量及稳定性与发达国家差距较大,新型高性能航空轴承钢的研发严重滞后,成为制约我国高性能航空发动机发展的“卡脖子”难题。本文围绕高氮不锈轴承钢的加压冶炼工艺、热加工和热处理以及合金元素对其组织和性能的影响开展工作,旨在为我国研发高氮不锈轴承钢提供支撑,促进我国高性能航空轴承钢的发展。得出以下主要结论:基于真空碳脱氧过程的热力学、动力学分析和实验研究,结合镍镁和稀土处理,初步掌握了加压感应熔炼过程中氧、硫含量和夹杂物控制工艺。通过研究冶炼压力和浇铸压力对钢锭氮含量的影响,初步开发出分阶段控制压力的精确控氮工艺,冶炼获得氮分布均匀、低氧硫含量、夹杂物细小弥散的高氮不锈轴承钢。建立了高氮不锈轴承钢在峰值应力下的本构方程,其热变形激活能为503.5kJ·mol-1,高于传统马氏体不锈钢。明确了动态再结晶（DRX）临界条件与峰值应力及Zener-Hollomon参数间的定量关系。提高变形温度,DRX晶粒尺寸增大。当应变速率在0.01～1s-1范围时,提高应变速率抑制了DRX,而当应变速率提高到10s-1时,反而促进DRX并增大晶粒尺寸。在较低变形温度下,在晶界析出的M23C6和M2N相钉扎晶界,延缓甚至抑制DRX。此外,位错缠结并堆积在析出相周围,阻碍了位错运动。随着变形温度的升高,析出相溶解,消除了对DRX的影响。提高淬火温度,富铬析出相M23C6与M2N含量减少、残余奥氏体含量增多,基体中元素分布更加均匀。由于M23C6周围的贫铬区更宽、贫铬程度更大,亚稳态点蚀优先在M23C6周围萌生。升高淬火温度可减少点蚀萌生位点,增加钝化膜的厚度,促进钝化膜中Cr2O3、Cr3+和CrN的富集,提高基体中固溶氮的含量,从而提高点蚀电位,降低点蚀坑长大速率,提高了钢的再钝化能力和耐腐蚀性能。提高回火温度,高氮不锈轴承钢中析出相尺寸增大,550℃时析出相细小且间距很小,存在铬与碳元素的偏聚;650℃时析出相长大且间距增加,铬元素富集到析出相中。随着回火温度的升高,在300℃时钢的硬度降低,之后在500℃附近出现二次硬化,然后硬度再次降低。随着回火温度的升高,高氮不锈轴承钢的点蚀电位先降低后升高。回火温度显著影响钝化膜的稳定性,在450℃回火时钝化膜的稳定性和耐蚀性恶化,而650℃回火后得到改善。基于本论文的研究结果,高氮不锈轴承钢的最佳热处理制度是先在1020℃淬火,之后在-80℃下进行低温处理,最后在300℃下进行回火。钼合金化能降低高氮不锈轴承钢的生成能、结合能、态密度,并减轻晶格畸变,从而提高体系的结构稳定性并提高氮在固相中的溶解度。此外,钼合金化能降低富铬M2N含量,从而充分发挥氮对耐蚀性的有益作用,并减轻富铬析出相的有害作用。氮钼协同作用能改善不锈轴承钢的钝化膜,并显著提升其耐腐蚀性能。以氮代碳能避免高氮不锈轴承钢的晶界析出粗大碳化物,使析出相由M23C6变为M23C6+M2N,进而转变为M2N。同时,以氮代碳使有效晶粒尺寸、残余奥氏体和孪晶马氏体含量先升高后降低,而析出相含量和位错密度的变化趋势相反。以氮代碳降低了0.35C-0.37N钢的强度,显著改善了其冲击韧性和耐晶间腐蚀性能,使其断裂机制由典型的脆性断裂转变为韧性与脆性混合型断裂。进一步以氮代碳提高了0.20C-0.54N钢的强度,但恶化了其冲击韧性和耐晶间腐蚀性能。氮在高氮不锈轴承钢中以氮原子和富铬M2N相的形式存在。氮可抑制钢中δ-铁素体的形成,细化原奥氏体晶粒。随着氮含量的增加,钢中析出相含量先降低后升高,并且主要析出相由M23C6转变为M2N。提高氮含量能增加高氮不锈轴承钢的硬度和强度,但其冲击韧性先改善后恶化。此外,提高氮含量能改善高氮不锈轴承钢的钝化膜。析出相含量与类型、钝化膜和固溶氮的综合作用,使钢的耐点腐蚀性能随氮含量的增加呈现出先升高后降低的趋势。基于本论文的研究结果,中碳中氮配比的高氮不锈轴承钢性能最佳,并且最佳的氮质量分数约为0.4%。创新地提出加压感应与加压电渣重熔双联工艺制备高氮不锈轴承钢新工艺并进行了初步探索。获得了凝固组织致密、无氮气孔缺陷、氮含量高、氧硫含量低的电渣锭。加压电渣重熔能够降低钢中大尺寸夹杂物的比例,将稀土氧硫化物和氧化镁转变为Al-Mg-O等夹杂物,显著改善了高氮不锈轴承钢的冲击韧性,但对硬度和强度的影响不大。