为了进一步拓展镁合金在汽车发动机以及其它动力系统上的应用,发展廉价耐热镁合金逐渐成为镁合金领域研究的热点和难点。Mg-Al-Ca合金以其特有的价格优势、密度优势吸引着镁合金研究者们。但是,在传统Mg-Al系合金中添加Ca以后容易产生热裂等铸造缺陷。本论文系统地研究了几组Mg-Al-Ca合金的凝固行为、显微组织形成规律、不同成形工艺条件下的显微组织与力学性能；基于CALPHAD方法,利用两步凝固热力学模型在较宽成分范围内对Mg-Al-Ca合金的半固态成形性能进行了分析预测。研究结果将为发展新的Mg-Al-Ca合金体系及成形工艺提供基础。　　 首先,利用双热电偶冷却曲线热分析方法,结合SEM/EDAX和X射线分析,研究了两组Mg-Al-Ca系合金(AZ91+Ca和AM50+Ca合金,分别简称为AZX91x和AMX50x合金)的凝固路径和显微组织形成规律。热分析结果表明,随着Ca含量的增加,AZX91x合会和AMX50x合金的液相线温度逐渐降低,而固相线温度的影响则各不相同。AZX91x合金中固相线温度先稍微升高然后降低,AMX50x合金中的AMX502和AMX503合金因为完全抑制了Mg17Al12相的形成,合金固相线温度显著升高,凝固温度区间明显缩短。随着Ca含量的增加与Ca/Al比的提高,合金中析出的含Ca相由Al2Ca相转变为(Mg,Al)2Ca相和Mg2Ca相。并且,随着Ca含量的增加,两组合金枝晶干涉点的固相分数都降低。利用偏振光彩色蚀刻对Mg-5wt.％Al-xCa(x=0～4wt.％)合金的晶粒尺寸表征发现,增加Ca含量使得合金枝晶臂细长,晶粒尺寸粗化。这主要由于Ca溶质元素使得初生α-Mg更加枝晶化,枝晶尖端半径减小形成较大的曲率过冷度,枝晶臂长大速率增大,从而得到具有细小枝晶臂的粗大晶粒。　　 研究了应变诱发熔化激活法(SIMA)Mg-Al-Ca合金在固液两相区显微组织演变规律和变形行为。结果表明,挤压后AZX911合金在515℃形成了球形固相颗粒被液相包围的典型半固态浆料组织,而AZX912合金在530℃才能得到这样的组织。对两种合金的半固态压缩变形分析表明,即使在液相分数多的条件下AZX912合金的应力也要远高于AZX911合金。但是考虑到AZX912合金热裂倾向要高于AZX911合金,提出在枝晶干涉点(DCP)和固相线之间形成的Al2Ca相,阻碍枝晶间残余液相的流动,使凝固过程中产生的裂纹不能得到液体的补缩,从而增加凝固后期热裂倾向。利用等通道角挤压(ECAE)与二次重熔结合是一种新的SIMA方法。经过2道次ECAE加工的Mg-9wt.％Al合金在加热至半固态温度保温后能够得到细小球形固相颗粒分布在液相中的半固态浆料组织。同时发现,ECAE前的固溶处理使得半固态浆料中固相颗粒粗化速率加快,并且其中存在大量液相孤岛,不利于半固态成形。　　 分析研究了金属型重力铸造和压力铸造条件下Mg-Al-Ca合金的显微组织和力学性能。在金属型重力铸造条件下,AMX50x合金的伸长率和抗拉强度都随Ca含量的增加而显著降低,屈服强度则先降低,然后稍微升高。通过在400℃和500℃下热处理得到不同的球化含Ca相,结果表明(Mg,Al)2Ca相的强化效果要优于Al2Ca。研究了AZX911和AZX912合金在常规压力铸造(HPDC)和MC-HPDC下的显微组织和力学性能。MC-HPDC是将先进剪切熔体处理技术(MCAST)与常规HPDC相结合的成形工艺。由于MC-HPDC成形前得到球形外部凝固晶粒(ESCs)均匀分布在合金液中的典型半固态浆料组织,因此,与常规HPDC相比,MC-HPDC制备的AZX91x合金的铸造缺陷少,力学性能显著提高。　　 最后利用热力学计算软件Pandat,结合近期发表的Mg-Al-Ca热力学数据,采用两步凝固热力学模型,选择液相分数的温度敏感性,凝固温度区间,最高拐点等准则作为评价Mg-Al-Ca合金的半固态成型性能的参考标准,在较宽成分范围内对合金的半固态成型性能进行了分析预测。得出了适合进行半固态成形的Mg-Al-Ca合金的成分范围,分析结果表明AX73和AX74合金的半固态成形性能可以和A356铝合金相媲荚,远远优于AZ91合金。