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铸造铝合金作为轻质金属结构材料,具有密度小,比强度、比刚度高,切削加工性好,铸造性能优良和易于回收等优点,符合当前社会对材料轻量化和绿色环保的要求。近年来,随着汽车工业对发动机功率密度的要求不断提高,现有铸造耐热铝合金的高温性能已不能满足工业发展的需要,因此,开发新型铸造耐热铝合金,使合金能够应用于工作温度在250℃以上的发动机缸体和活塞等汽车关键部件,已经成为亟待解决的重要课题。本文以Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg（M174）（wt.%）合金为基础,研究了合金元素和热处理工艺参数对显微组织和性能的影响规律,优化出了一种综合性能,尤其是高温性能优异的铸造耐热铝硅合金。采用微机数据采集系统、电感耦合等离子直读光谱仪（ICP）、光学显微镜（OM）、定量金相分析软件、X射线衍射仪（XRD）、差示扫描量热仪（DSC）、动态热机械分析仪（DMA）、热膨胀仪（DIL）、带能谱分析（EDX）的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等分析手段,通过硬度、室温和高温瞬时拉伸性能、热物理性能、压缩蠕变性能及干/油润滑条件下的摩擦磨损性能等试验,系统研究了M174、M174-xSr（x=0.006,0.02,0.03,0.04）、M174-（0,0.1）Ti-（0,0.02）Sr、M174-xGd（x=0.1,0.2,0.5,1.0,3.0）、M174-xY（x=0.1,0.2,1.0）、M174-xNd（x=0.2,0.4,1.0,3.0）、M174-xSm（x=1.0,3.0）和M174-xCe（x=1.0,3.0）（wt.%）等合金的铸态显微组织及其室温和高温拉伸性能,获得了优化合金——M174-0.2Gd（wt.%）合金;研究了T6热处理（固溶+人工时效）工艺对合金组织和力学性能的影响规律,优化出T6热处理工艺参数;探讨了合金在热暴露后室温拉伸性能的时变降低机制、高温蠕变机制以及干/油润滑条件下的摩擦磨损机理,为高性能铸造耐热铝合金的进一步开发和应用提供理论和实践依据。研究结果如下:1、铸造M174合金的铸态显微组织由α-Al基体和分布于基体上的初晶Si、共晶Si、δ-Al3CuNi、γ-Al7Cu4Ni、Q-Al5Cu2Mg8Si6、Al11（MnFeNiCu）4Si以及θ-Al2Cu相等多种金属间化合物组成。这些金属间化合物在合金凝固过程中的析出顺序依次为初晶Si,α-Al,共晶Si,δ-Al3CuNi,γ-Al7Cu4Ni,Q-Al5Cu2Mg8Si6和θ-Al2Cu。2、通过研究铸造M174-xSr（x=0,0.006,0.02,0.03,0.04）合金的铸态显微组织和室温拉伸性能可以发现:Sr可以减小铸态组织中共晶Si和Al11（MnFeNiCu）4Si相的尺寸,提高合金的室温伸长率。随着合金中Sr含量的增加,Al11（MnFeNiCu）4Si相的体积分数逐渐降低,α-Al的二次枝晶间距先减小后增大。当Sr含量为0.02 wt.%时,二次枝晶间距达到最低值13μm,合金的室温拉伸性能相对较好。3、通过研究铸造M174-（0,0.1）Ti-（0,0.02）Sr合金的铸态显微组织和室温及高温瞬时拉伸性能,可以发现:Sr与B发生反应形成SrB6相,该相可以作为形核核心提高细化剂的细化效果。Al-5Ti-1B中间合金的加入可以提高铸态合金的高温瞬时拉伸性能,而Al-10Sr中间合金的加入则会降低铸态合金的高温瞬时拉伸性能。4、通过研究M174-xGd（x=0,0.1,0.2）（wt.%）合金在单步和双步固溶处理和时效处理过程中的组织演变规律和力学性能变化,可以优化出合金的固溶处理工艺为500℃×2h+540℃×3h,在该工艺条件下,初晶Si相边缘钝化、共晶Si相熔断且球化、θ-Al2Cu和Q-Al5Cu2Mg8Si6等金属间化合物完全溶入基体中。优化后的时效处理工艺为175℃×5h。5、稀土元素Gd对铸态、T4态和T6态M174合金的显微组织有以下影响:1)在铸态合金组织中,随着Gd含量的增加（≤0.5 wt.%）,Al11（MnFeNiCu）4Si和δ-Al3CuNi相的尺寸逐渐减小,组织中出现富Gd相且其形貌逐渐由块状演化为细长条状。2)在T4态合金组织中,随着Gd含量的增加（≤0.2 wt.%）,骨骼状的δ-Al3CuNi相逐渐分为两部分:一部分为δ-Al3CuNi相,其形貌保持骨骼支架状;另一部分则是被碎化的金属间化合物,由尺寸约510μm的Al3CuNi相以及尺寸≤5μm的富Gd相组成。3)在T6态合金组织中,Gd抑制了时效过程中θ-Al2Cu相的析出。峰值时效态M174-0.2Gd合金显微组织中主要存在两种析出相:一种为出现在晶粒内部的球状Q-Al5Cu2Mg8Si6相,其直径≤200nm;另一种为存在于晶界处的Al3CuGd相,其晶格常数为a=b=4.157?,c=10.651?,尺寸≤200nm。6、对铸态、T4态和T6态M174-xGd（x=0,0.1,0.2）（wt.%）合金室温和高温瞬时拉伸性能的研究表明,随着Gd含量的增加,合金的室温和高温瞬时拉伸性能先增加后降低。当拉伸测试温度低于200℃时,同一热处理态的M174-0.1Gd合金拉伸性能较好;当拉伸测试温度高于300℃时,同一热处理态的M174-0.2Gd合金抗拉强度较优。7、研究了铸态和T6态M174-xGd（x=0,0.1,0.2）（wt.%）合金室温和高温物理性能的变化趋势,结果表明:在同样的热处理条件下,随着Gd含量的增加,合金的热膨胀系数逐渐降低而弹性模量逐渐增加。8、探讨了T6态M174-0.2Gd（wt.%）合金热暴露后室温拉伸性能的时变降低机制,结果表明:热暴露后合金室温拉伸性能随热暴露时间逐渐下降的原因在于θ-Al2Cu和Q-Al5Cu2Mg8Si6相的二次析出并长大。当热暴露温度为250℃时,随着热暴露时间由0h逐渐增加至200h,θ-Al2Cu相析出且尺寸逐渐增加至100250nm,局部区域的析出相长度甚至达到约500nm,相邻θ-Al2Cu相之间的距离也由20100nm增加至200nm以上,晶粒内部逐渐出现尺寸为12 nm,其长轴平行于<100>α-Al的点状Q-Al5Cu2Mg8Si6相。9、对T6态M174-0.2Gd（wt.%）合金高温压缩蠕变行为的研究表明,晶界处存在热稳定性较高的Al3CuGd稀土相可以有效固定晶界,提高合金的蠕变性能。在低应力（σ≤50MPa）低温（T≤250℃）的条件下,n=1.32.5,Q=32.074.6kJ/mol,蠕变受扩散蠕变或析出相阻碍的晶界滑动控制;在高应力（σ≥80MPa）高温区,n=3.75.6,Q=18.079.0kJ/mol,蠕变受晶界滑动和位错攀移控制。对于T6态M174-0.2Gd合金而言,服役温度T≤300℃,应力σ≤80MPa。10、对铸态和T6态M174-xGd（x=0,0.1,0.2）（wt.%）合金在室温和高温条件下干摩擦磨损行为的研究表明,随着Gd含量的增加,合金的体积磨损率和动态摩擦磨损系数逐渐降低,高温或者高载荷作用下的磨损机制逐渐由磨粒磨损和剥层磨损相结合的方式向剥层磨损转变。11、研究了T6态M174-xGd（x=0,0.1,0.2）（wt.%）合金在室温油润滑条件下的摩擦磨损行为,结果表明:对磨副表面形成的油膜层会显著提高合金的耐磨性,同一合金油在润滑条件下的体积磨损率比干摩擦磨损时的体积磨损率降低了一个数量级,而动态摩擦系数约为干摩擦磨损的1/5。油润滑条件下合金的磨损形貌主要以金属间化合物的破碎和脱落为主。