镁合金作为轻质的金属结构材料,以其密度低、比强度高、比刚度高等优点,被誉为“21世纪绿色工程材料”。采用镁合金零部件是实现汽车、飞机轻量化的有效途径之一。目前,大型复杂结构薄壁镁合金铸件已应用于飞机发动机的部件中,因其轻质高强的优点,可减轻发动机重量、增加推重比。然而,针对薄壁镁合金铸件的制备仍存在一些问题,主要为:(1)复杂薄壁镁合金铸件的充型问题,要求镁合金具有良好的流动性;(2)薄壁镁合金铸件的力学性能常因组织和缺陷问题不能满足服役要求,较低的耐腐蚀性限制其应用;(3)复杂结构砂型芯的制备周期长,砂型芯的尺寸精确度难控制;(4)薄壁铸件铸造工艺与热处理工艺的优化过程复杂、周期长、成本高。自2012年以来,“材料基因工程”思想逐步运用到镁合金及其部件的研发中。其中,集成计算材料工程旨在把计算材料科学的工具、材料成形过程模拟软件集成为整体系统,对材料成分、加工过程和产品性能进行快速预测和优化,逐渐从“传统设计”模式向“预测设计”模式变革。因此,采用高效的研发模式制备出质量良好、满足服役条件的复杂薄壁镁合金铸件是推动镁合金应用的迫切需求。本文采用理论分析、数值模拟、实验测试三大手段。针对飞机发动机附件机匣铸件,以ZE41镁合金为研究对象,研究微量的合金化元素Ca和Sr对其微观组织、流动性和力学性能的影响。探究热处理工艺对ZE41-Ca-Sr合金微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响。建立“热处理工艺/成分—组织/力学性能”神经网络模型和回归分析模型,实现对热处理态ZE41镁合金微观组织和力学性能的预测。通过模拟镁合金机匣铸件的充型过程、凝固过程和缺陷分布,优化机匣铸件的浇注系统。通过将编写脚本语言与仿真软件的命令行操作相结合,构建镁合金“工艺—组织—性能”集成计算平台。采用构建的集成计算平台,实现基于力学性能预测的铸造工艺和热处理工艺优化。基于轮廓失效的覆膜砂激光快速成型方法制备复杂结构砂型芯,根据优化的镁合金成分、铸造工艺和热处理工艺,铸造获得内外品质良好,力学性能满足服役要求(抗拉强度≥200MPa,屈服强度≥135MPa,延伸率≥2%)的镁合金机匣铸件。具体内容如下:(1)研究微量的合金化元素Ca和Sr对ZE41镁合金微观组织、流动性和力学性能的影响规律。结果表明:向ZE41镁合金中加入0.2wt.%Ca,铸态合金平均晶粒尺寸由48.4μm减小至36.7μm,同心三螺旋线流动长度由101mm增加到157mm。然而,对于力学性能的提高有限。在此基础上,研究微量的Sr对ZE41-0.2Ca合金微观组织、流动性和力学性能的影响。研究发现:向ZE41-0.2Ca合金中加入0.2 wt.%Sr,铸态合金晶粒尺寸由36.7μm减小至31.3μm,同心三螺旋线流动长度由157mm增加到225mm。流动性提高的主要原因为:Ca、Sr细化了 ZE41镁合金的晶粒组织,提高了凝固前沿枝晶尖端搭接形成骨架的临界固相分数,推迟“枝晶搭接点”,与Ca对熔体的抗氧化性共同作用改善了合金的流动性。此外,铸态ZE41-0.2Ca-0.2Sr合金表现出最优的力学性能。(2)ZE41-0.2Ca-ySr(y=0,0.1,0.2,0.4 wt.%)合金在325℃温度下进行时效处理。合金表现出较好的时效硬化能力,微量的Ca和Sr元素加速了 ZE41镁合金初始时效硬化过程的动力学,并延缓了过时效阶段的动力学。峰时效态合金主要由α-Mg相、T-相和Mg51 Zn20相组成,晶间有少量的Mg2Ca相,晶粒内部存在Zn-Zr颗粒相。峰时效态合金中,基体弥散析出大量的棒状,β’1沉淀相和盘状β’2沉淀相,由于峰时效态ZE41-0.2Ca-0.2Sr合金析出的β’1沉淀相对位错起到有效的钉扎作用,故具有较高的抗拉强度和屈服强度。通过电化学测试、失重测试、析氢测试以及腐蚀形貌分析,可知:微量的Ca和Sr能提高ZE41镁合金的耐腐蚀性能,峰时效态ZE41-0.2Ca-0.2Sr合金的耐腐蚀性能最优,主要归因于第二相的腐蚀阻挡作用大于电偶腐蚀效应。(3)基于热处理组织与力学性能的实验数据,以Ca含量、Sr含量、时效温度和时效时间为输入变量,以晶粒尺寸、抗拉强度、延伸率和显微硬度为输出变量,建立了 BP神经网络模型。通过优化隐含层节点数,获得最佳性能的BP神经网络模型。采用回归分析方法建立“热处理工艺/成分—组织/力学性能”回归分析模型,该模型为多准则优化程序提供了数学模型。采用多准则优化程序获得了当抗拉强度最大和晶粒尺寸最小时所对应的合金化元素含量和热处理工艺。(4)通过模拟机匣铸件的充型过程、凝固过程和缩孔分布,优化设计了机匣铸件的缝隙式浇注系统。通过将编写脚本语言与仿真软件的命令行操作相结合,构建了镁合金“工艺—组织—性能”模拟的集成计算平台,实现了从CAD模型数据输入到“工艺—组织—性能”模拟的全流程仿真计算。其中,“铸造工艺—组织”模拟依托ProCAST的前处理、求解和后处理模块实现。铸造过程的“组织—性能”模块依托MATLAB实现。此外,采用集成计算平台,批处理调用MATLAB软件,根据“热处理工艺/成分—组织/性能”回归分析模型,优化计算镁合金机匣铸件的组织和力学性能,实现基于力学性能预测的热处理工艺优化。采用轮廓失效的覆膜砂激光快速成型方法制备复杂结构砂型芯,基于优化的合金成分和铸造工艺,最终浇铸获得内外品质良好,力学性能满足服役要求的薄壁镁合金机匣铸件。