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铸造Al-Si-Cu-Ni-Mg系活塞铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、铸造性能优异和热膨胀系数低等优点,在发动机活塞领域得到广泛应用。进一步提升发动机的输出功率是解决环境和能源问题的重要途径,而提高活塞铝合金的高温性能是提升发动机输出功率的关键技术途径。因此,亟待开发出新型高强耐热铝合金活塞材料,使其高温性能满足300-400℃的工况要求。本文选取商用Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg（wt.%,M142）活塞铝合金为基础合金,系统研究M142合金的铸态组织、不同温度和时间热暴露后的力学性能和微观组织变化以及高温疲劳性能与损伤行为,提出相应的强化手段。通过Zr、Ti和Sc复合微合金化方法,在α-Al内析出高温稳定的纳米Al3Sc相,实现α-Al的细化和强化,进而研究复合微合金化对M142合金高温拉伸和疲劳性能的影响。通过研究第二相对铸造Al-Si合金高温拉伸性能的影响,筛选有效的强化相并通过合金化方法增加高温稳定的ε-Al3Ni相、δ-Al3Cu Ni相的含量,研究富Cu、Ni相对M142系合金高温拉伸和疲劳性能的影响。通过高压压铸工艺,实现微观组织的显著细化,进而研究组织细化对M142合金高温拉伸和疲劳性能的影响。最后对比分析三种强化手段对M142系合金高温拉伸和疲劳性能的影响规律,丰富了活塞铝合金高温疲劳性能数据库,并为耐热铝合金活塞材料的开发提供指导。首先,系统研究铸态M142合金的微观组织、热暴露不同温度和时间后的力学性能和微观组织变化以及高温疲劳性能与损伤行为。结果表明,铸态合金主要由α-Al、块状初生Si、长针状共晶Si、Q-Al5Cu2Mg8Si6、θ-Al2Cu、粗大的Al Si（Mn,Fe）Ni Cu相、δ-Al3Cu Ni和γ-Al7Cu4Ni相组成。合金在300-350℃热暴露0.5 h后,室温硬度和抗拉强度迅速降低,进一步延长保温时间至200 h,室温硬度和抗拉强度降低缓慢;升高温度至350-425℃热暴露后,虽然硬度和抗拉强度变化趋势与350℃一致,但室温硬度和抗拉强度的降幅减小,即350℃下热暴露时合金的室温力学性能降低最明显。因此,研究M142合金350℃下的微观组织和力学性能变化具有代表性。350℃热暴露200 h后,α-Al内纳米级θ相和Q相显著粗化,导致M142合金350℃的抗拉强度由铸态的111.8±2.4 MPa降至65.7±1.8 MPa。在应力比R=-1和频率f=120 Hz时,铸态M142合金350℃的疲劳强度是41.5±1.5 MPa（N=2.5×10~7）。高温疲劳循环过程中,循环应力导致粗大的初生Si相和Al Si（Mn,Fe）Ni Cu相破碎,加速裂纹萌生和扩展,同时纳米级θ-Al2Cu相和Q-Al5Cu2Mg8Si6相的显著粗化,加速位错在硬脆相附近的塞积,促进裂纹萌生,降低合金高温疲劳性能。其次,为了弥补θ-Al2Cu相和Q-Al5Cu2Mg8Si6相的粗化对α-Al高温性能的降低,通过添加Zr、Ti和Sc的复合微合金化手段,在α-Al内析出高温稳定的纳米Al3Sc相,进而研究其对Al-0.14Si-0.4Cu-0.05Mg、Al-12Si-0.4Cu-0.05Mg、Al-12Si-2Cu-2Ni-0.8Mg和Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg（M142）合金微观组织和高温性能的影响。结果表明,在Al-0.14Si-0.4Cu-0.05Mg合金中添加Zr、Ti和Sc复合微合金化后,α-Al内析出共格Al3Sc纳米相,α-Al晶粒尺寸由627±108μm降至130±31μm,350℃下的抗拉强度由20±1.8 MPa提高到35±2.1 MPa,350℃-20 MPa下的循环寿命由374周增加至247038周。350℃-200 h热暴露后,纳米Al3Sc相平均半径R=2.9 nm,体积分数fv=0.35%,室温抗拉强度由铸态的152.7±3.8 MPa增至201.1±2.8 MPa。因此,Al3Sc纳米相具有优异的热稳定性,并显著提高合金350℃的拉伸性能和循环寿命。进一步在Al-12Si-0.4Cu-0.05Mg合金中添加Zr、Ti和Sc复合微合金化后,α-Al内仍有纳米Al3Sc相析出,α-Al晶粒尺寸由1157±260μm降至265±55μm,针状共晶Si相的平均长度由20.9μm降至10.7μm。350℃下的抗拉强度由47.6±1.3 MPa增至58.8±1.6 MPa,350℃-40 MPa下的循环寿命由550周增加到4250周。铸造Al-12Si-2Cu-2Ni-0.8Mg复合微合金化后,α-Al晶粒尺寸由973±240μm减小至464±102μm,350℃下的抗拉强度由79.6±1.6 MPa提高到90.3±2.1 MPa。最后对M142合金进行复合微合金化,350℃下的抗拉强度由97.3±2.1 MPa增加至108.2±1.5 MPa,疲劳强度由41.5 MPa增至45.2 MPa。上述研究表明,Zr、Ti和Sc复合微合金化可以有效提高M142合金高温拉伸和疲劳性能。随后,通过添加合金元素Ni,增加高温稳定的微米级ε-Al3Ni相和δ-Al3Cu Ni相的含量,实现对M142系合金高温拉伸和疲劳性能的强化。结果表明,随着ε-Al3Ni相体积分数由1.1%增加至8.2%,铸态合金350℃下的抗拉强度由88.1±1.1 MPa单调增加至115.2±2.1 MPa,且合金抗拉强度σUTS和ε-Al3Ni相体积分数fv符合:σUTS=4.02 fv+82.91。高温疲劳性能表现出先增高后降低的趋势,当ε-Al3Ni相体积分数为4.6%时,具有最佳的疲劳性能,而含量过高时ε-Al3Ni相严重粗化,高温疲劳性能降低。在M142合金中进一步引入ε-Al3Ni相,导致ε-Al3Ni和δ-Al3Cu Ni相的含量同时增加。当（ε-Al3Ni+δ-Al3Cu Ni）相的体积分数由6.77%增至10.38%时,350℃的抗拉强度由97.3±2.1 MPa增至105.6±1.9 MPa,疲劳强度由41.5 MPa增至42.9 MPa,强化相体积分数fv和抗拉强度σUTS符合:σUTS=5.85 fv+49.36,因此,富Cu、Ni相的金属间化合物强化可以提高M142系合金350℃的高温拉伸和疲劳性能。最后,通过高压压铸工艺,实现微观组织的显著细化,克服粗大的初生Si相和金属间化合物对高温疲劳性能的影响,进而研究组织细化对M142合金高温拉伸和疲劳性能的影响,并与Zr、Ti和Sc复合微合金化强化和富Cu、Ni相的金属间化合物强化进行对比。结果表明,与重力铸造合金相比,压铸合金中的α-Al晶粒由781±170μm降至32±6μm,共晶Si相长度由5.4±1.7μm降至0.5±0.2μm,金属间化合物最大长度的平均值由5.2μm降至3.5μm,即压铸合金中的微观组织得到显著细化。350℃下的抗拉强度由重力铸造条件下的101.3±2.6 MPa升至135.4±1.7 MPa,疲劳强度由41.9 MPa增至50.8 MPa。对比三种强化手段对M142系合金350℃的抗拉强度和疲劳强度的影响可知,组织细化、Zr、Ti和Sc复合微合金化和富Cu、Ni相金属间化合物强化对抗拉强度的贡献分别是34.1 MPa、10.9 MPa和8.3 MPa,对疲劳强度的贡献为8.9 MPa、3.7 MPa和1.4 MPa。因此,组织细化显著提升M142合金的高温拉伸和疲劳性能。