在悬浮无容器状态和自由落体过程等超常条件下,液态合金可获得深过冷进而实现快速凝固,组织特征及形成机理将与传统凝固显著不同。超常条件下液态合金的快速凝固研究不仅可以促进凝固理论的发展,还能为研发和制备新型合金材料提供科学依据。本文采用电磁悬浮、自由落体以及熔体浸浮等超常凝固技术,使液态二元Ni-Ti和Fe-Cu合金以及三元Fe-Cu-Si/Ge合金获得深过冷,研究其凝固过程中的晶体生长、组织演化以及溶质再分配等规律。主要取得了以下研究结果。1、无容器条件下Ni-Ti合金的枝晶与共晶生长机制在电磁悬浮和自由落体无容器处理条件下实现了（Ni+Ni₃Ti）和（Ni₃Ti+NiTi）两种Ni-Ti共晶型合金的深过冷与快速凝固。实验发现,（Ni）和Ni₃Ti枝晶与其共晶的竞争生长使（Ni+Ni₃Ti）共晶型合金的微观组织发生了显著变化。当过冷度超过40 K时,共晶Ni_83.5Ti_16.5合金的组织形貌从层片共晶转变为以初生（Ni）相枝晶为主的亚共晶组织。如果过冷度超过196 K,亚共晶Ni₈₅Ti₁₅合金的凝固组织仅由（Ni）相等轴晶构成。对于过共晶Ni₈₁Ti₁₉合金,其凝固组织在过冷度大于41 K时表现为（Ni+Ni₃Ti）非规则共晶。在实验获得的过冷度范围内,（Ni₃Ti+NiTi）共晶型合金的凝固组织未发生“共晶—枝晶”形貌转变。共晶Ni₆₁Ti₃₉合金的凝固组织在314 K以下过冷度时表现为蠕虫状共晶。过冷度为0²65 K的亚共晶Ni₆₆Ti₃₄合金和过冷度为0²06 K的过共晶Ni₅₈Ti₄₂合金的凝固组织始终以初生相枝晶为主要形貌特征。理论分析表明,深过冷条件下（Ni）和NiTi相枝晶主要由热扩散控制生长,但NiTi相枝晶受溶质扩散的影响较大;Ni₃Ti相的生长过程始终受溶质扩散控制。在过冷合金的凝固过程中（Ni）相枝晶快速生长,进而引发了显著的组织形貌转变、晶粒细化和溶质截留效应。此外,计算获得了Ni-Ti合金系中（Ni+Ni₃Ti）和（Ni₃Ti+NiTi）规则共晶的共生区,其成分范围分别为15.6²2.3 at.%Ti和31.5³9.8 at.%Ti。2、深过冷条件下Fe-Cu合金的快速枝晶生长特征当过冷度为7 K时,液态Fe₅₀Cu₅₀合金发生亚稳液相分离,形成富Fe液相区和富Cu液相区。富Fe区和富Cu区的平均成分严重偏离于初始合金成分。其中,富Fe区成分随过冷度的变化曲线为合金固相线的延长线。γFe相在富Fe区中优先形核并快速生长,其生长速率随过冷度的增加呈幂函数上升,在实验所得的最大过冷度261 K时达到了15 m/s。随着γFe相枝晶生长速率的快速增大,富Fe区的凝固组织由枝晶演变为等轴晶。富Cu区中,γFe相枝晶生长缓慢,其组织形貌在实验过冷度范围内始终为细长枝晶和球状晶。对比发现,γFe相在Fe₅₀Cu₅₀合金中的生长速率远小于其在纯Fe中的生长速率。理论分析表明,纯Fe中的枝晶生长仅受热扩散影响,Fe₅₀Cu₅₀合金富Fe区中γFe相枝晶随过冷度的增加会经历由溶质扩散控制到热扩散控制的生长机制转变,而富Cu区中γFe相枝晶始终受溶质扩散控制生长。因此,γFe相在富Fe区中的生长速率小于其在纯Fe中的生长速率,但大于其在富Cu区中的生长速率。3、超常条件下Fe-Cu-Si合金的组织演化与溶质分布规律实验发现,液相分离在三元Fe₄₈Cu₄₈Si₄和Fe_42.5Cu_42.5Si₁₅合金中稳定存在,而三元Fe₃₅Cu₃₅Si₃₀合金在过冷度超过24 K时发生亚稳液相分离。液相分离后,合金熔体中形成了富Fe和富Cu液相区。通过研究三元Fe₄₈Cu₄₈Si₄合金在不同条件下的相分离形貌特征,获得了难混溶合金的组织演化规律。在熔体浸浮条件下,受Stokes运动的影响,合金凝固形成上下分层组织。在自由落体条件下,表面偏析和Marangoni迁移起主导作用,合金的凝固组织主要表现为两层和三层壳核结构。在急冷条件下,液相分离在很大程度上受到抑制,凝固组织较为均匀。定量分析了深过冷条件下三元Fe₄₈Cu₄₈Si₄、Fe_42.5Cu_42.5Si₁₅和Fe₃₅Cu₃₅Si₃₀合金的溶质分布特征,发现液相分离引起了溶质Si在富Fe区的富集。合金快速凝固后,溶质Si在αFe相中的含量大于其在（Cu）相中的含量,溶质Cu在Fe₅Si₃相中的含量大于其在FeSi相中的含量。4、深过冷液态Fe-Cu-Ge合金的相分离与快速凝固机理采用熔体浸浮技术使液态Fe_47.5Cu_47.5Ge₅和Fe_42.5Cu_42.5Ge₁₅合金分别获得了300和268 K的最大过冷度。在过冷条件下,这两种合金均发生亚稳液相分离形成了富Fe和富Cu液相区,其临界过冷度分别为70和110 K。实验测定出溶质Ge在富Fe和富Cu两区中的含量相近,表明富Fe液相与富Cu液相对溶质Ge的亲和力相近。液相分离前,合金以包晶转变方式凝固,组织分布均匀。对于三元Fe_47.5Cu_47.5Ge₅合金,初生相为γFe相,包晶相为（Cu）相。在三元Fe_42.5Cu_42.5Ge₁₅合金中,Fe_0.84Ge_0.16相为初生相,Fe₃Ge和（Cu）相均为包晶相。液相分离之后,合金的凝固过程分为两个阶段:主要阶段为富Fe液相区凝固,表现为初生相优先形核并以枝晶形式快速生长,然后与周围液相发生包晶反应;次要阶段为富Cu液相区凝固,其仍以初生相的形核开始,但主要步骤为包晶转变。