镁合金作为最轻的金属结构材料,具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能好和易于回收等优点,符合当前社会对材料轻量化和绿色环保的要求,在航空航天、汽车、电子等领域表现出广阔的应用前景和强劲的发展势头。Mg-Al系合金的Ca合金化是目前发展低成本耐热镁合金的一个重要方向,Ca的添加能够显著改善Mg-Al系合金的耐热性能,并且具有很好的阻燃效果。但与此同时,Ca的加入会导致Mg-Al系合金的室温力学性能出现严重恶化,这大大限制了Mg-Al-Ca系合金的实际应用。因此,提高Mg-Al-Ca系合金的室温力学性能,解决Ca的添加带来的耐热性能、阻燃效果与室温力学性能之间的矛盾,已成为一个亟待解决的问题。挤压铸造是一种先进液态成型技术,既能够细化晶粒,又能够减少铸件中的缺陷。半固态成形技术则综合了液态成型和塑性加工的长处,被认为是21世纪最具发展前途的金属成形技术之一。半固态流变挤压铸造技术可以看成是半固态流变成形和挤压铸造的结合,同时具备了两者的优点,能显著提高合金的力学性能,是一种很有潜力的新成形技术。但是现有的流变挤压铸造研究集中于铝合金中,关于镁合金还没有研究。Mg-Al-Ca系合金的流变挤压铸造成形研究,有望大幅度提高合金的力学性能,并为镁合金半固态流变成形技术的开发和应用提供理论和实验依据。本文以AZ91-Ca合金为研究对象,采用差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、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,首次研究了采用气泡搅拌制备AZ91-2wt.%Ca(AZX912)合金半固态浆料,系统研究了挤压铸造AZ91-1wt.%Ca(AZX911)合金和流变挤压铸造AZX912合金的微观组织和室温拉伸性能,对比研究了不同铸造工艺AZX912合金的高温力学行为,并进一步研究了热处理对流变挤压铸造AZX912合金的影响,从理论上分析了合金的细化机制、强化机理、压缩蠕变机制和半固态初生相的形核和生长机制。通过研究不同压力和浇注温度下挤压铸造AZX911合金的微观组织和室温拉伸性能,探明了挤压铸造工艺参数的影响规律。阐明了压力对AZX911合金的细化机理,压力升高一方面改善了凝固传热,提高了冷却速率,另一方面提高了AZX911合金液相线,使过冷度增大,促进了形核。共晶点的移动带来了第二相含量的增加。温度一定时,随压力增大,异质形核率vIhe先升高后降低,并推导出在压力为时,异质形核率vIhe达到最大值。揭示了近液相线铸造中蔷薇晶的形成机制,低过热度浇注时熔体整体过冷、大量形核后,相邻晶粒相互作用,抑制了枝晶生长。为了实现半固态浆料的快速高效制备,提出采用气泡搅拌法制备AZX912合金半固态浆料的方法与技术原型,并开发出实验装置。实验证明,这一方法能在30s内制备出α-Mg初生相平均颗粒尺寸小于50μm、平均圆整度大于0.7的AZX912合金半固态浆料。阐明了气泡搅拌制备半固态浆料过程中α-Mg初生相的形核和生长机制:气泡搅拌过程中,α-Mg初生相在熔体中直接形核生成,其生长形貌取决于气体流量,随气体流量增大,搅拌强度和紊流强度逐渐增大,α-Mg初生相的形貌呈现从枝晶到蔷薇晶再到球状晶的演变。考虑Ar气同时作为搅拌介质和冷却介质存在,首次构建了反映初生相形貌的形状因子fi与气体流量G关系的模型: 其中R0为无气泡搅拌条件下的初始凝固速率,A和B为常数;揭示了α-Mg初生相形状因子F与气体流量G之间的关系:,这一拟合结果与实验数据吻合得比较好。采用气泡搅拌制备半固态浆料与流变挤压铸造复合成形方法,实现了AZX912合金α-Mg相和第二相的细化。揭示了半固态浆料质量和压力对流变挤压铸造AZX912合金微观组织和室温拉伸性能的影响规律,获得了最佳工艺参数组合,当气体流量、浇注温度和压力分别为6L/min、596℃和120MPa时,AZX912合金达到最佳室温力学性能,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到110.2MPa、177.9MPa和3.3%。基于复合材料结构模型,阐明了半固态浆料质量对流变挤压铸造AZX912合金力学性能的影响规律。研究发现,半固态浆料制备工艺参数中,浆料浇注温度对流变成形合金的力学性能影响最大。阐明了流变挤压铸造AZX912合金的凝固行为,凝固过程包含两个非连续阶段,第一阶段为α-Mg初生相的形成和演变,第二阶段为半固态浆料在压力和低温模具作用下的快速凝固。对比研究了三种铸造工艺制备AZX912合金的高温力学行为。在25~200℃范围内,流变挤压铸造样品均表现出最佳的拉伸性能,挤压铸造次之,重力铸造最差。在50~100MPa和150~200℃范围内,挤压铸造样品的压缩蠕变性能最佳,重力铸造次之,流变挤压铸造最差。流变挤压铸造样品晶粒尺寸最小,容易发生晶界滑移,与重力铸造相比,挤压铸造样品中更高的第二相含量为位错的湮灭和晶界迁移或滑动提供了更大的阻碍。揭示了合金的压缩蠕变机制,在200℃和50~100MPa范围内,三种铸造工艺制备AZX912合金的蠕变应力指数n在7.9~8.4这一很小的范围内波动,属于Ⅲ类蠕变,这一蠕变过程受非基面位错运动的控制,在100MPa和150~200℃范围内,三种铸造工艺制备AZX912合金的蠕变激活能Q在118~145k J/mol这一范围内变化,随蠕变温度的升高,存在蠕变类型的变化,从受空位扩散控制的位错攀移回复的Ⅱ类蠕变转变为受非基面位错运动的控制的Ⅲ类蠕变。为进一步提高流变挤压铸造AZX912合金的性能,研究了固溶和时效处理对其微观组织和室温拉伸性能的影响规律。410℃固溶过程中,β-Mg17Al12相固溶进入基体,未溶解的Al2Ca相形貌改善,延伸率显著提高。225℃时效过程中,β-Mg17Al12相不断析出,在96h达到时效峰值,其中连续析出占主导地位。基体中经时效析出的β-Mg17Al12相有很好的强化作用,但对塑性的负面作用显著。