采用熔融玻璃净化结合循环过热技术,在Ni-Cu体系下,通过添加Co元素研究了Ni-Cu-Co合金不同过冷度下的微观组织演化。从理论结合实验的角度系统的解释了合金在不同过冷范围内的凝固枝晶生长和晶粒细化机制。同时,利用高速摄影、红外检测和微观组织表征技术研究了Co含量的增加对Ni-Cu-Co合金的显微硬度和非平衡凝固的影响,包括凝固速度、再辉效应和细化的临界过冷。Ni-Cu-Co合金在过冷度范围内存在两次细化组织转变。小过冷度下表现为为粗枝晶向等轴晶的转变,微观组织中取向相近的结构较多。这与高热效应驱使下的碎断细化一致,因此符合枝晶重熔机制。而大过冷度下表现为定向细枝晶向晶粒度更小的等轴晶的转变,微观组织含有高比例的大角度晶界和孪晶界,因此符合再结晶机制,并且再结晶驱动力来源于临界过冷ΔT*之后初生固相在再辉中积累的应力和塑性应变。将BCT理论与高速摄影机下的凝固速度相结合,研究了过冷范围内的凝固枝晶生长规律。在小过冷度下,溶质扩散的控制作用较强,并且枝晶尖端半径较大。随着过冷度的增加,凝固速度的增加逐渐加强了溶质截留效应,热扩散的增加逐渐削弱了溶质扩散的控制作用,同时枝晶尖端半径快速下降。这显著降低了合金的凝固偏析,使凝固逐渐由粗糙界面演化为光滑界面的均匀迁移,同时微观组织中出现“粗枝晶→定向粗枝晶→定向细枝晶”的演化规律。随着合金中Co含量的增加,过冷范围内的凝固速度和再辉效应逐渐提升,这会显著影响过冷合金的细化组织转变和显微硬度。首先,快速凝固中的枝晶重熔分数与最高再辉温度TR呈正相关。再辉效应的提升伴随着温度TR的增加,这会显著增强相同过冷度下的重熔效应,使临界过冷ΔT1逐渐减小,ΔT2逐渐增大。其次,凝固速度和再辉效应的提高可显著增加再辉中的热应变和凝固缩孔,从而诱导更多的液流与初生枝晶相互作用,积累更大的应力。这使合金在大过冷度下更趋向于发生晶粒细化,临界过冷ΔT*更小。同时,凝固速度的增加也可显著加剧应力诱导下的自发变形效果,使组织中的小角度晶界增多同时晶粒度明显下降。当Co含量达6%时,合金在整个过冷范围内的硬度相比铸态提升超过了100%。