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镁合金被誉为“21世纪的绿色工程材料”,在汽车、航空航天、电子等领域具有广泛的应用前景,铸造镁合金是非常重要的一种结构材料,然而其强度低,室温塑性差。晶粒细化对铸造镁合金的意义重大,可显著提高铸造镁合金的各项力学性能。目前,Zr是非Mg-Al系合金中最成功的商用变质剂,但不适用于Mg-Al合金体系,含碳变质剂是Mg-Al合金体系的研究热点。本论文意在研究一种低成本、高效率且普遍适用的镁合金变质剂。首先研究了原位反应制备石墨烯变质剂的可行性及其组织特点。采用纯镁和高纯CO2原材料,利用液态原位反应法成功制备石墨烯变质剂,极大降低了石墨烯变质剂的生产成本。石墨烯变质剂具有褶皱和一定的缺陷,在其表面黏附纳米级氧化镁,含有石墨烯单元层数约3-15层,通过塑性变形可有效改变其形貌。总结了石墨烯变质剂对Mg合金的细化规律,Mg合金体系分为Mg-Al和非Mg-Al合金体系。石墨烯变质剂对纯Mg几乎没有细化效果,对Mg-3Y合金的细化效果产生负作用,对Mg-3Zn合金具有一定的细化作用,细化效果不及Zr变质剂,但可显著改善Mg-Zn合金的热裂倾向。石墨烯变质剂对Mg-Al二元合金体系皆具有明显的细化效果,添加10 wt.%的石墨烯变质剂后,Mg-0.5Al,Mg-1Al,Mg-3Al,Mg-9Al合金的细化效率分别达到82.58%、83.64%、57.2%、50.7%。石墨烯变质剂对商用含Al镁合金具有明显的细化效果。在高Al含量镁合金中,其改变了铸态晶粒的形貌,使枝晶转变成蔷薇状等轴晶,石墨烯变质剂对Mg-Al系合金的力学性能提升较大。石墨烯变质剂细化Mg-Al系合金时,孕育时间保持在20-40min,细化效果最佳。冷却速度对Mg-Al系合金的晶粒细化具有一定的影响,更快的冷却速度可获得更细的晶粒尺寸和更高的细化效率,但细化能力有限,不可做为主要的晶粒细化手段。分析了石墨烯变质剂细化镁合金的机理,石墨烯变质剂对非Mg-Al系合金的细化机制主要是在凝固过程中,对溶质元素的阻碍作用。Al4C3颗粒是α-Mg有效的异质形核核心,Al4C3颗粒的异质形核作用是石墨烯变质剂对Mg-Al系合金的细化机理。