铝合金具有密度小、重量轻、比强度高、导电导热性好等优点。此外,铝在提炼及加工过程中较易实现清洁化生产,铝制品具有很高的质量回收率,因此铝在航空、航天、汽车、计算机、电子通讯和家电行业得到广泛的应用,是使用率最高的轻金属。Al-Si系合金是铝合金中最重要的一类合金之一,随着Si含量增加,合金力学性能、尺寸稳定性、耐磨性、耐热性等都会提高。因此,过共晶Al-Si合金,尤其是高硅铝合金,是发展高强耐磨耐高温铝合金的方向。但是,Si含量的提高导致合金析出粗大的初生硅,严重割裂基体并显著降低力学性能,极大地阻碍了该系列合金的应用推广。因此,开发一种能够有效细化初生硅尺寸、改善合金性能的工艺方法是很有必要的。高压铸造是一种能够细化晶粒、实现近净成形的先进成型技术。半固态流变压铸技术可以看成是流变加工和高压铸造的结合,它同时具有流变加工和高压铸造诸如铸件组织优良、生产效率高、能耗低、近净成形、成本低等优点,被认为是二十一世纪金属成形最具发展前途的技术之一。但是现有的流变压铸研究集中在低Si含量的共晶、亚共晶Al-Si合金上,关于过共晶Al-Si合金的研究基本处于空白。过共晶Al-Si合金,尤其是高硅铝合金的流变压铸成形研究,有望实现初生硅细化的目标,同时克服常规液态铸造下的缺点,获得优良的微观组织和力学性能,并为过共晶Al-Si合金半固态流变成形技术的开发和应用提供理论指导和实践依据。本文以Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金为研究对象,采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）和差式扫描量热仪（DSC）等分析手段,系统研究了机械旋转滚筒制浆工艺对流变浆料组织的影响;首次研究了RE（La、Ce）变质和流变加工复合处理对流变浆料微观组织的影响。采用优化的最佳流变制浆工艺和复合制浆工艺对Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金进行流变压铸成形,研究其微观组织和力学行为,探讨其强化机理。对Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金进行耐磨性能测试,研究流变处理对合金耐磨性能的影响,探讨其磨损失效机理。利用Flow-3D软件对过共晶Al-Si合金熔体在机械旋转滚筒中的流场、温度场、浓度场进行模拟,分析流变处理对它们的影响,探讨流变加工对初生硅形核、生长的作用机制。通过研究不同滚筒转速和浇注温度下Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金添加RE（La,Ce）前后流变浆料的组织演变,探明了机械搅拌制浆和复合制浆的影响规律。机械滚筒能制备出初生硅细小均匀、铝树枝晶破碎、合金相细小弥散的流变浆料。变质和流变加工复合处理进一步减小初生硅颗粒尺寸和体积率。添加稀土后Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金分别形成偏聚在枝晶间的长针状Al₄（FeMnSiCuRE）和Al₂Si₂RE相,流变处理可以显著细化针状稀土相并使其在基体弥散分布。Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金机械搅拌制浆和复合制浆的最佳工艺皆为660 ^oC浇注、60r/min转速;Al-20Si合金机械搅拌制浆和复合制浆的最佳工艺皆为750 ^oC浇注、60r/min转速。对比发现,流变压铸Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金的微观组织优于常规高压铸造。流变压铸使初生硅形貌由复杂的板条状、板块状、不规则形状转变为明显细化的板块状,其平均颗粒尺寸、体积率都小于而圆整度大于高压铸造得到的样品。流变压铸破碎了树枝晶和骨骼状α-AlFeMnSi相,细化了偏聚的Al₂Cu共晶组织并使其在基体分布均匀。添加0.5 wt.%RE（La,Ce）有效地变质共晶硅。稀土变质和流变加工复合处理进一步细化初生硅的尺寸,降低其体积率,并提高圆整度;与此同时,还细化了偏聚在合金中的针状Al₄（FeMnSiCuRE）和Al₂Si₂RE相,使它们在基体均匀分布。阐明了半固态流变压铸、稀土变质和流变加工复合压铸对合金力学性能的影响,Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金分别在660 ^oC浇注、60 r/min搅拌和750 ^oC浇注、60 r/min搅拌下获得最佳的力学性能;此外,也阐明了它们在流变压铸下的凝固特点。研究了流变铸造Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金的耐磨性能,揭示了合金的磨损机制。低摩擦速度、摩擦载荷下合金磨损机制以磨粒磨损为主。流变铸造合金中初生硅的细化、圆整化,Al₂Cu共晶团簇、α-AlFeMnSi相的细化、均匀化有效提高合金的局部抗力并减少对基体表面氧化层的破坏,有效提高合金的耐磨性能。高摩擦速度、摩擦载荷下,合金磨损机制以黏着磨损为主。液态铸造合金中粗大的初生硅和骨骼状α-AlFeMnSi相容易破碎、脱落加剧基体磨损并促进基体氧化腐蚀。流变铸造合金中初生硅的细化、圆整化、α-AlFeMnSi相的细化、均匀化有效降低其破碎、剥落的倾向,同时更好的避免基体的加剧氧化腐蚀,进而提高合金的耐磨性能。利用Flow-3D软件对过共晶Al-Si合金熔体在机械旋转滚筒中的流场、温度场、浓度场进行模拟。模拟结果表明机械滚筒的剪切力和自重带动合金熔体进行圆周螺旋运动,运动的同时熔体内部出现强对流。机械滚筒对熔体产生激冷作用,滚筒的高速转动使其温度场、浓度场趋于均匀。机械滚筒内初生相的形核生长特点如下:激冷效应使得熔体显热迅速得到释放,熔体温度迅速降低到理论凝固点以下获得极大的过冷度,初生相获得较大的形核率。后续熔体的流入和相变潜热的释放使得大部分晶胚重新熔入熔体,贴近滚筒内壁的晶胚获得持续过冷而成长为晶核。高速转动的滚筒促使滚筒内壁的晶核进入熔体成为自由晶,同时使得熔体温度场、浓度场趋于均匀,最终使得自由晶以等轴或球状方式生长。阐明了流变加工对初生硅形核、生长的影响。机械旋转滚筒的激冷效应增大了熔体凝固的过冷度、提高了预存Si原子碰撞形成硅十面体和五角多面体的概率、提高了初生硅的相变驱动力,使得四面体和八面体组合成五瓣星形初生硅的形核机制得以启动,导致Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金中出现五瓣星形初生硅。流变加工增大熔体过冷度从而提高八面体初生硅的形核率。机械滚筒高速转动引起过共晶Al-Si合金熔体中溶质的高速扩散,促进了八面体初生硅顶角、棱边的生长,使其形成内部有孔洞的普通八面体初生硅。机械滚筒搅拌引起的剪应力促使八面体初生硅凝固生长的过程中顶角、棱边附近靠近固液前沿的晶内区域更容易出现位错团簇。机械滚筒高速转动使熔体内的初生硅颗粒受到强烈的剪切力,同时初生硅颗粒间碰撞加剧,容易造成八面体初生硅在顶角、棱边附近的{100}晶面形成裂纹并沿着{110}晶面解理,导致初生硅颗粒的破碎,达到细化初生硅的目的。阐明了稀土变质和流变加工复合处理对初生硅生长的影响。机械滚筒引起的激冷效应可以有效提高初生硅颗粒的形核率,其高速转动引起熔体的强对流促使更多的稀土元素被吸附到初生硅<112>方向的生长前沿,提高“杂质诱发孪晶”效率;另一方面,在温度均匀的环境下,均匀分布的稀土元素以稀土化合物的形式包围、甚至紧贴着初生硅析出,进一步阻碍其生长,起到细化作用。将优化的Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金流变制浆工艺成功用于车用空调压缩缸体的生产,制备的产品质量优良、可热处理,其耐压性能远远高于高压铸造,表明过共晶Al-Si合金流变加工工艺具有巨大的工业应用价值。