作为一类高强耐热镁合金,Mg-Gd-Y-Zr合金常被用于航天工业中的轻量化构件制造。在实际生产中,由于零件结构复杂、壁厚差异大,铸造过程中各个部分冷却速率差异较大,导致合金不同部位的微观组织及力学性能差异大,并且对后续的固溶热处理有重要影响,因此研究铸造过程中冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固过程及微观组织的影响有重要意义。本文设计了能够研究不同冷却速率影响的阶梯形铸件模具,采集了铸造MgGd-Y-Zr合金凝固过程中铸件内部不同部位的冷却曲线。基于凝固过程中初生相和第二相析出过程释放的潜热不同,改进了用于研究合金凝固过程的计算机辅助冷却曲线分析方法。采用改进后的计算机辅助冷却曲线分析方法,结合微观组织、成分等实验表征,深入研究了冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固过程和凝固组织的影响。研究结果表明,在2.5~11.0℃/s的冷却速率条件下,随着冷却速率的提高,晶粒尺寸从75μm下降到45μm,第二相分数从12.5%下降到4.4%,分布更加均匀弥散,平均尺寸减小。随着冷却速率的提高,合金的形核过冷度增大,共晶转变开始温度升高,共晶转变开始温度对应的固相率增大。在上述研究的基础上,基于经典形核理论和实验数据,建立了反映合金凝固冷却速率和Zr含量影响的晶粒密度计算模型。基于边界层理论,引入等效溶质分配系数概念,处理较快冷却速率条件下固液界面的溶质捕集效应。将计算得到的不同冷却速率条件下的形核密度和等效溶质分配系数应用于元胞自动机模拟,实现了能够考虑较快冷却速率条件下固液界面溶质捕集效应的凝固组织模拟。