镁合金种类众多,应用广泛。作为最轻的金属结构材料,镁合金主要应用在航空航天、交通运输、电子3C等领域。然而较低的抗蠕变能力使大多数镁合金工作环境在120℃以下。合金化是有效改善镁合金高温性能的方法之一,Si和RE元素是应用最多的合金化元素。由添加Si和RE元素所得到的AS和AE系合金是应用较多的耐热镁合金。但AS系镁合金铸造性能差,AE系镁合金成本高,且两种合金都存在增强相形态尺寸不易控制的缺点。Mg₂Si和Al₁₁Ce₃在凝固过程中分别容易长成枝晶状和长针状。本文以Mg-Al-Si-Ce系合金为主要研究对象,通过调整合金成分的实验研究来调控Mg₂Si、Al₂Ce、Al₁₁Ce₃、Al₄Ce等耐热相的形态,利用第一性原理计算方法研究耐热相的结构与特性,以探明Mg-Al-Si-Ce合金中耐热相的形态特征及变质机理,提出基于成分控制的耐热相形态与尺寸调控机制,为开发性能优良的低成本耐热镁合金提供理论指导。Mg-Al系合金中Al与Ce形成的化合物主要有长针状的Al₁₁Ce（Al₄Ce）、块状和杆状的Al₂Ce。研究表明,Ce含量在1wt.%以下时,Ce易与Al形成长针状Al₁₁Ce₃（Al₄Ce）,在Mg-Al系合金中加入少量Ce对共晶Mg₂Si相形态影响不大,但可以改善初生Mg₂Si相的形态,使其由花瓣状逐渐向规则的多边形颗粒转变。当Al含量在3wt.%左右时,合金中的Mg₂Si易形成更加规则的多边形颗粒,细小的针状Al₁₁Ce₃（Al₄Ce）相可以与Mg₂Si相形成界面。计算得到Al₄Ce（100）与Mg₂Si（100）的错配度为0.59%,远小于6%,根据错配度理论,Al₄Ce可能成为Mg₂Si异质形核核心。经计算Al₂Ce（100）与Mg₂Si（100）的错配度为12.02%,处于临界值,因此Al₂Ce相作为Mg₂Si相异质形核核心可能性较小,但不排除形成界面的可能。受合金成分与凝固条件的影响,Al₄Ce相和Al₂Ce相极易长成长针状和块状,较大的Al₄Ce相和Al₂Ce相难以成为Mg₂Si的异质形核核心,但Al₄Ce、Al₂Ce与Mg₂Si仍然可以形成稳定的界面,对其晶体生长产生一定影响。Mg-Al-Si镁合金中添加Ce稀土元素,不仅能减少Mg₁₇Al₁₂数量和改善其形态尺寸,还能与Al形成Al-Ce增强相,产生固溶强化、析出强化和晶界强化等多重强化效果。硬度和力学性能测试结果表明,Mg-x Al-2.5Si-Ce合金的硬度随Al含量的升高而增大;当Al含量在2wt.%以上时,合金的室温力学性能变化不大,约为130MPa左右,伸长率随着Al含量升高而增大。利用第一性原理计算方法研究了Mg₂Si、Al Ce、Al₂Ce、Al₃Ce、Al₁₁Ce₃和Al₄Ce相的电子性质、声子性质、机械性能以及热力学性质等。结合能计算结果表明,化合物稳定性按Al₁₁Ce₃、Al₂Ce、Al Ce、Al₃Ce和Al₄Ce顺序依次降低;形成焓计算结果表明,合金化过程中更易形成Al₁₁Ce₃、Al₄Ce,其次是Al₃Ce和Al₂Ce,最后才会形成Al Ce。弹性性质计算结果表明,除Al₃Ce以外,Al Ce、Al₂Ce、Al₁₁Ce₃和Al₄Ce均满足弹性力学上晶体的稳定条件;Al-Ce化合物均属于脆性材料,塑性大小依次为Al Ce、Al₄Ce、Al₃Ce、Al₂Ce和Al₁₁Ce₃。Al-Ce相的各向异性以Al₃Ce、Al₁₁Ce₃、Al₂Ce、Al Ce和Al₄Ce顺序减弱。电子态密度计算结果表明,除Al Ce态密度曲线杂化不明显以外,其余各Al-Ce相内Al原子与Ce原子都存在明显的杂化现象,说明Al₂Ce、Al₃Ce、Al₁₁Ce₃、Al₄Ce内Al原子与Ce原子都形成了较强的键合。形成共价键的强弱以Al₁₁Ce₃、Al₄Ce、Al₃Ce、Al₂Ce顺序依次减弱;金属性大小按Al₁₁Ce₃,Al₃Ce,Al₂Ce,Al₄Ce,Al Ce的顺序依次递减;德拜温度大小按Al₁₁Ce₃、Al₂Ce、Al₄Ce、Al₃Ce、Al Ce顺序递减,说明Al₁₁Ce₃间存在较强的键合,具有更高的热导率,Al Ce相原子间的键合最弱。以上结果为进一步研究Al-Ce相的性质积累了基础数据。