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含稀土元素(RE)的镁合金具有比普通镁合金更高的强度和更好的耐热性能，因而在航空航天、高性能赛车等领域具有很好的应用前景。铸造工艺是镁合金最主要的成型工艺，铸造镁合金用量占全部镁合金用量的90％以上。然而目前针对镁合金的研究大多集中在发展新型合金及其变形加工工艺和变形机理方面，很少有针对铸造镁合金的凝固过程、凝固组织以及铸造缺陷形成机制的研究，导致目前对Mg-RE高性能镁合金铸造工艺特性的理解十分有限，严重制约了其应用范围的拓展。针对这些问题，本论文主要采用冷却曲线热分析技术系统研究了Mg-Y-Gd(-Nd)系镁合金的凝固路径和凝固组织形成规律，并结合铸造工艺试验和铸造模拟软件等多种手段对WE54合金的热裂和缩松等与铸造成型过程密切相关的铸造缺陷进行了研究。 主要采用冷却曲线热分析技术研究了Mg-Y-Gd合金和Mg-Y-Gd-Nd合金的凝固路径，并综合采用SEM，EDX和XRD等实验手段研究了这两组合金的凝固组织形成规律。发现随着Gd、Y含量的逐渐升高，Mg-Y-Gd合金的凝固组织由α-Mg单相组织转变为由α-Mg相和Mg24(Gd，Y)5相组成的共晶组织。而Mg-5Y-2Gd-xNd合金的凝固组织为由α-Mg相、Mg24(Gd，Y)5相和一种Mg-Y-Nd三元相相组成的共晶组织。通过合金的T-fs曲线对其热裂倾向性(hot tearing susceptibility, HTS)进行预测表明，Mg-Y-Gd合金的热裂倾向随着合金中RE含量的增加呈现先增加后降低的趋势。对固相分数的温度敏感性进行分析后认为Gd、Y含量的增加有助于改善Mg-Y-Gd系合金的半固态成型性能。与此同时，Gd、Y含量的增加会降低合金固相分数的温度敏感性(-dfs/dT)，从而改善Mg-Y-Gd系合金的半固态成型性能。而从Mg-5Y-2Gd-xNd系合金的T-fs曲线来看，当合金中的Nd含量为2.0 wt.％时，Mg-5Y-2Gd-2Nd合金，即WE54合金具有较高的热裂倾向。Mg-5Y-2Gd-xNd（x≧2）合金固相分数的温度敏感性低于0.015，满足半固态成型工艺的要求。 对比研究了金属型铸造(Permanent mold casting，PMC)和树脂砂铸造(Resin sandcasting，RSC) Mg-5Y-2Gd-2Nd(WE54)合金的显微组织和力学性能。结果表明，金属型铸造和树脂砂铸造WE54合金具有相似的铸态显微组织，但是由于冷却速度较慢，树脂砂铸造WE54合金的显微组织更加粗大，且其铸态组织中第二相的含量较少。金属型铸造WE54合金的力学性能优于树脂砂铸造WE54合金，两者在峰值时效(T6)状态下的抗拉强度分别为327MPa和261MPa，屈服强度分别为234MPa和209MPa。研究了Zr元素对WE54合金凝固过程和力学性能的影响。研究结果表明，在含Zr的WE54合金的凝固过程中，Zr元素会首先以α-Zr相粒子的形式析出，这些α-Zr相粒子会成为随后析出的α-Mg相的异质形核质点，从而促进α-Mg相的形核，细化WE54合金的显微组织。由于细小均匀的显微组织，含Zr的WE54合金力学性能明显优于不含Zr的WE54合金。 通过测定热裂缺陷形成温度和温度-固相分数曲线，研究了含Zr和不含Zr的WE54合金在砂型铸造工艺条件下的热裂行为。研究发现在WE54合金的凝固过程中，热裂缺陷在较低的固相分数下形成，说明热裂缺陷形成时合金中存在较多的液相，对热裂断口形貌的观察结果也证明了这一点。在不含Zr的合金中，热裂缺陷形成时的收缩应力为0.5MPa，而在含Zr的合金中，热裂缺陷形成时的收缩应力为1.0MPa，表明Zr的加入提高了合金的抗热裂性能。在铸件的凝固过程中，铸件凝固收缩导致的变形会引起残余液相的流动和富集，并在晶间形成液膜，而晶间液膜在足够大的收缩应力作用下会发生断裂形成热裂缺陷。而Zr的加入会显著细化WE54合金的晶粒，同时使铸件中形成初始热裂纹时合金的固相分数(fs,crack）升高，而这两种因素都会提高晶间液膜的强度，提高铸件中形成初始热裂纹所需的收缩应力（σcrack)，从而显著降低WE54合金的热裂倾向。 研究了缩松缺陷对WE54合金力学性能的影响，结果表明缩松缺陷会显著降低合金的强度并减弱合金的热处理强化效果。通过铸造工艺试验研究了Zr变质和冒口尺寸对WE54合金铸件中缩松缺陷分布的影响，结果表明Zr变质不影响铸件中的缩松缺陷分布，而铸件中缩松缺陷的分布面积随冒口尺寸的增大而逐渐减小。根据实验结果确定了WE54合金铸件冒口尺寸选择的模数准则为:MR≧1.3MC。采用ProCAST铸造模拟软件包对铸件的凝固过程进行模拟，并通过与实验结果的对照，确定了预测WE54合金铸件中缩松缺陷分布的Niyama判据为Ny＜0.4℃0.5s0.5 mm-1。