材料复合化可以综合增强体和基体金属的本征特性,从而有效提升铝合金材料的综合性能,满足节约能源的迫切需要。金属间化合物Mg₂Si具有优异的物理化学性能,作为增强相在提升铝合金综合性能方面具有巨大潜力。调控Mg₂Si晶体的形貌是提升Al-Mg₂Si合金力学性能的关键。细化和调控初生Mg₂Si的主要方式包括变质处理、孕育形核以及快速凝固等。近年来的研究发现,添加两种电负性差较大的元素,使其在凝固过程中形成化合物作为初生Mg₂Si的形核衬底可以有效细化初生相。然而,关于选择不同变质机制的微量元素进行复合变质以综合微量元素变质优势的研究较少。此外,对于高冷速条件下过共晶Al-Mg₂Si合金中初生Mg₂Si的形貌演化以及微量元素变质初生相的机制研究较少。目前关于亚共晶Al-Mg₂Si合金的研究主要集中在Sc、Sr等元素对共晶Mg₂Si的吸附毒化变质上,然而对于微量元素变质共晶Mg₂Si相是否存在其他变质机制尚不明确。此外,微量元素对于共晶Mg₂Si的细化效果也只能实现从未变质前的粗大汉字状细化为纤维状,通过简单高效的微量元素变质实现共晶Mg₂Si增强相的球化还存在挑战。因此,本论文通过添加不同变质机制的微量元素对初生Mg₂Si相进行复合变质,探究了微量元素多种变质机制之间的协同作用。通过探究不同冷速条件下合金元素变质对初生及共晶Mg₂Si形貌的影响,揭示了不同冷却速度条件下微量元素对初生及共晶Mg₂Si的作用机制。通过微量元素变质,成功实现了亚共晶Al-Mg₂Si合金中共晶Mg₂Si球化,有效提升了合金的室温力学性能。本文的主要研究结果如下:1)揭示Be-Sb复合变质初生Mg₂Si的变质机制:Mg₃Sb₂相为初生相提供形核质点,增加形核率;Sb元素置换初生Mg₂Si中的Si原子,干扰初生相的生长;Be元素选择性吸附在{100}晶面上,毒化生长台阶,抑制<100>晶向的生长,最终形成切角八面体形貌的初生相。2)发现当冷速大于临界值时,固液界面前沿的成分过冷区构建速度变慢,成分过冷区在无核区内部时初生Mg₂Si相在较大的过冷度驱动下迅速生长,形成粗大树枝晶;发现高冷速条件下Sr对初生Mg₂Si生长的抑制作用使得初生Mg₂Si晶体在成分过冷区构建过程中缓慢生长,最终使得高冷速条件下初生相的粗化现象消失;发现随着冷速增加,Sb元素的异质形核变质机制由于Sb原子扩散下降而减少,Sb元素更倾向于通过置换Mg₂Si中的Si原子来细化初生Mg₂Si。3)揭示了Sb元素变质亚共晶Al-Mg₂Si合金中共晶Mg₂Si的球化机制和过变质机制:Sb原子可以通过置换Mg₂Si中的Si元素,干扰共晶Mg₂Si的生长;此外Sb元素可以通过毒化共晶Mg₂Si晶面的生长台阶,抑制共晶Mg₂Si晶体在择优生长方向的生长;Sb含量大于1.0 wt.%时,熔体中Sb元素与熔体中Mg原子结合,形成Mg₃Sb₂化合物,且在共晶Mg₂Si之前析出,消耗了熔体用于置换和吸附毒化的Sb元素,最终导致过变质现象的出现。4)揭示了Ca-Sb复合变质Al-11Mg₂Si合金中共晶Mg₂Si相的球化机制以及合金从亚共晶形貌转变为过共晶形貌的机制:熔体中的Ca元素和Sb元素吸附在共晶相的择优生长晶向,抑制其生长,最终实现共晶Mg₂Si的球化;熔体析出的Ca Sb₂化合物为初生Mg₂Si相提供了异质核心,减小了初生Mg₂Si形核所需的过冷度;微量元素Ca和Sb在固液界面前沿的偏析增加了初生Mg₂Si相形成初期的成分过冷,最终导致合金成分转变为过共晶合金。5)通过对Sb、Ca-Sb元素变质后Al-11Mg₂Si合金的进行拉伸测试,发现共晶Mg₂Si的球化可以有效提升合金的力学性能。0.2 wt.%Sb变质后合金断裂延伸率由未变质时的～1.5%提升至～9.7%,同时抗拉强度由～183 MPa提升至～208MPa。力学性能提升的机制为:球形共晶Mg₂Si相缓解了应力集中,减少了裂纹的萌生和扩展,从而提升了合金的性能。为制备高性能亚共晶Al-Mg₂Si合金提供了借鉴。