镁合金由于其密度低、高的比强度被广泛应用于汽车、航空航天等领域,但是由于镁合金的强度低,尤其是高温性能差极大地限制了镁合金的广泛应用。镁合金的塑性成形能力低、强度差与它的晶体结构为密排六方结构、滑移系少、晶粒取向等是分不开的,因此要想改善并提高镁合金的使用性能,对镁合金晶粒取向的有效控制以及改善其显微组织有望成为一种有效的方法。定向凝固技术做为一种新型的制备加工技术,能够获得特定取向的柱状晶组织,消除横向晶界,提高材料的纵向力学性能。本文以Mg-4Sm二元合金为基础,加入不同的Ca(0%,0.5%,1.0%)含量制备了定向凝固试棒,随后对其在不同的生长速度(25μm/s,50μm/s,100μm/s,200μm/s,1000μm/s)和不同的温度梯度(7K/mm,10K/mm,13K/mm)进行了系统的定向凝固试验。采用金相显微镜、扫描电镜等手段对其合金微观组织、断口形貌等进行了研究。分析合金中相的种类、分布以及生长速度、温度梯度对固液界面形态、显微组织、断口形貌、力学性能的影响。获得了以下研究发现:Mg-4Sm合金室温组织有α-Mg相和Mg41Sm5相组成,加入钙后有Mg2Ca相生成。铸态下组织中含有大量的树枝晶,经过定向凝固后组织转变为柱状晶,对断口进行扫描发现铸态下的合金断裂形式皆为脆性断裂。经过定向凝固后韧性断裂倾向增加,当生长速度为50μm/s时,韧性断裂所占的比例最大;随着生长速度的增加,晶粒尺寸逐渐减小,达到50μm/s时最细,横断面组织接近等轴晶,超过50μm/s这种趋势逐渐减小,另一方面生长速度的增加也增加了柱状晶的不连续性,不均匀性,生长速度越大,不连续性就越明显,甚至出现了胞状树枝晶。同一生长速度下,温度梯度越高柱状晶的均匀稳定性及方向性越好。同一温度梯度下,随着生长速度的增加,抗拉强度逐渐增加,生长速度为50μm/s时达到最大值171MPa,相比于铸态下提高87.9%。在定向凝固过程中,Sm,Ca原子主要向柱状晶生长前方移动生成第二相,促进新晶核形核阻碍原先晶粒的生长,增加了柱状晶的不连续性,并且Ca含量越多这种不连续性越明显。此外,在定向凝固下随着钙含量的增加,组织得到一定程度的细化,力学性能也得到提高,但是当Ca含量超过0.5%时,拉伸性能开始降低,这是由于高钙的强成分过冷作用增加了柱状晶的不连续性。