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相对fcc和bcc结构的金属材料,hcp结构的镁合金具有更高的Hall-Petch系数,因此晶粒细化对提高镁合金强度具有深远的意义。Mg-Gd-Y合金作为一种新型高强耐热镁合金,在航天航空以及国防领域具有重要的应用价值。大型复杂薄壁航天Mg-Gd-Y合金铸件主要采用砂型铸造成形,晶粒粗大且力学性能低。然而,随着新型凝固技术的不断发展,具有千年历史的砂型铸造工艺也显示出了一定的发展空间。本文通过调节合金中Gd、Y、Zr含量,控制冷却速率、浇注温度以及脉冲电流工艺参数,采用计算机辅助冷却曲线分析技术(CA-CCA),结合光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)分析以及力学性能测试,系统地研究了砂型铸造Mg-Gd-Y合金的凝固行为、凝固组织与力学性能之间的关系以及晶粒细化机制,提出了Zr与脉冲电流复合处理晶粒细化方法,构建了复合处理条件下α-Mg自由晶的受力模型以及溶质迁移模型,探索了复合处理方法在砂型铸造Mg-Gd-Y合金某型号铸件试制过程中的应用。探明了合金元素含量、铸造工艺参数与脉冲电流砂型铸造Mg-Gd-Y合金α-Mg形核过冷度(ΔTN)的关系,首次研究了脉冲电流对Mg-Gd-Y合金凝固行为的影响规律,阐明了凝固条件对α-Mg起始形核温度(Tα,N)的作用原理。在Gd、Y、Zr中,Zr对ΔTN的影响最大。随着合金中Gd含量由0增加至12.7wt.%、Y含量由0增加至5.6wt.%、Zr含量由0增加至0.70wt.%,ΔTN依次增大7.9℃、3.4℃与10.4℃;Gd、Y通过增大成分过冷来降低Tα,N,Zr通过“包晶反应”降低液-固相变阻力从而提高Tα,N。脉冲电流产生的静电力与洛伦兹力增大了原子团簇形成临界α-Mg晶核的几率,减小了α-Mg临界晶核尺寸,降低了α-Mg晶核形成所须的临界过冷度,从而提高Tα,N。建立了合金元素含量(C)与砂型铸造Mg-Gd-Y合金α-Mg平均晶粒尺寸(d)之间的数学关系,优化出砂型铸造Mg-Gd-Y合金的最佳合金元素含量,发现了在砂型铸造工艺中Zr含量小于0.45wt.%(Zr在Mg中的溶解度)的合金在凝固过程中能够析出单质Zr(ZrP1),揭示了合金中Gd、Y以及不同状态Zr的晶粒细化机制。CGd与d之间的数学关系式为d=52.5+59.0exp(-CGd/3.8);CY与d之间的数学关系式为d=45.1+20.7exp(-CY/5.1);砂型铸造Mg-Gd-Y-0.45Zr合金Gd、Y总含量(CTotal)与d之间满足数学关系式d=45.3+106.6exp(-CTotal/5.8),且Gd、Y通过增大成分过冷来提高α-Mg形核率。砂型铸造Mg-10.2Gd-3.5Y(0.45Zr)合金具有最佳的强度与塑形(拉伸性能σ0.2=142MPa,σb=220MPa,δ=4.0%)。砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金Zr含量(CZr)与d之间的数学关系式为:d1=351.0-658.2CZr,(CZr﹤0.45wt.%时);d2=79.9-46.7CZr,(CZr﹥0.45wt.%时)。合金中的Zr的状态包括始终溶解的ZrS、凝固过程中析出的ZrP1以及始终未溶解的ZrP2。Zr通过降低α-Mg形核所须的临界过冷度(ΔTCritical)来提高合金α-Mg的形核率,从而提高α-Mg形核率,继而细化α-Mg晶粒。不同状态Zr的作用机制依次为:ZrS为成分过冷;ZrP1析出前为成分过冷,ZrP1析出后为曲率过冷;ZrP2为异质形核。当CZr=0.61wt.%时,砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金具有最佳拉伸性能(σ0.2=153MPa,σb=224MPa,δ=7.3%)。部分未溶解的Zr以颗粒强化方式提高合金强度。建立了铸造工艺参数、脉冲电流与砂型铸造Mg-Gd-Y合金α-Mg平均晶粒尺寸(d)之间的数学关系,优化出砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金的最佳冷却速率、浇注温度以及脉冲电流工艺参数(峰值电流I,频率f与占空比P),发现了脉冲电流细化砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金晶粒的工作参数阈值,揭示了过冷、过热以及脉冲电流扰动对α-Mg形核率与溶质迁移的作用机制。随冷却速率(CR)由1.4℃/s增至10.5℃/s,砂型铸造Mg-10Gd-3Y-0.45Zr合金的d由59μm降至39μm,且CR与d之间的数学关系式为:d=39.4+72.2exp(-CR/0.9)。α-Mg形核率(I*)与生长线速度(u)随冷却速率的提高而增大,CR对I*的影响大于其对u的影响。随浇注温度(PT)由680℃提高至750℃,砂型铸造Mg-10Gd-3Y-0.45Zr的d由44μm增至71μm;当PT提高至780℃时,d降至46μm。PT与d之间的数学关系式为:d=–5444+15.1PT-0.01PT2,过热产生的液/液相变增大了原子扩散系数比值(DL2/DL1),从而提高I*。连续网格状或粗大岛状的共晶、低温浇注产生的缩松、高温浇注产生的氧化夹杂与溶质集中都能降低合金的力学性能。当CR在2.1-3.5℃/s范围且PT为750℃时,合金具有较好的强度与塑性。在砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金凝固过程中施加脉冲电流能够细化α-Mg晶粒,促进溶质原子均匀分布。然而,当I≥100A、f≥500Hz或P≥60%时,脉冲电流不再有晶粒细化效果。脉冲电流通过降低α-Mg形核能垒提高α-Mg形核率;通过提高溶质分配系数(k0)来缓解溶质偏聚;电流过高的Joule热能够熔化已经形成的α-Mg晶核。提出了Zr与脉冲电流复合处理细化砂型铸造Mg-Gd-Y合金晶粒的方法,揭示了复合处理的晶粒细化机制,构建了复合处理条件下自由晶的受力模型以及溶质迁移模型,发现复合处理的晶粒细化效率随着冷却速率的降低而提高,添加了复合处理条件下Stocks-Einstein方程的修正系数。无论合金中的Zr处于何种状态,复合处理都能进一步增大砂型铸造Mg-Gd-Y合金α-Mg的形核过冷度,细化α-Mg晶粒。热力学分析表明,复合处理增大了砂型铸造Mg-Gd-Y合金液-固转变过程中体系自由能的变化(ΔGv)、降低了液态原子团簇静电斥力势能(UR)、提高了液态原子团簇的碰撞频率、增加了α-Mg临界原子团簇数量,减小了α-Mg临界晶核尺寸(r0),从而降低α-Mg临界原子团簇转变“能垒”,继而提高α-Mg形核率(I*)。动力学分析表明,α-Mg自由晶主要来自熔体液面,脉冲电流能够加速α-Mg自由晶的下落。随着冷却速率由1.32℃/s降低至0.97℃/s时,Zr与脉冲电流复合处理对砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金的晶粒细化效率由21.5%提高至26.1%。复合处理条件下,Gd、Y、ZrS溶质原子与固/液界面之间粘度的增大降低了溶质原子的扩散系数(由*iD降为iD),此时,溶质原子的实际迁移速率(iV)的表达式为:,a为修正系数且0＜a＜1。探索了复合处理方法在砂型铸造Mg-Gd-Y合金某型号铸件试制过程中的应用。工业试验表明,相对于单独加Zr处理,Zr与脉冲电流复合处理能够进一步细化砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金α-Mg晶粒、抑制缩松、提高合金致密度,提高砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金-T6的强度与塑性。合金力学性能的提高归功于α-Mg晶粒细化以及α-Mg晶界处β相尺寸的减小与数量的增大。