枝晶是金属凝固组织中典型的结构,枝晶的界面形态和稳态选择直接决定了凝固的组织特征和材料的最终性能。随着计算材料学的发展,数值模拟结合实验研究成为目前材料研究的前沿领域。其中相场法作为一种描述复杂相界面演化的强有力工具,在模拟金属凝固过程中枝晶复杂的形貌演化方面得到广泛的应用。本文采用包含固相扩散系数的三维相场模型对Al-Si合金枝晶生长过程进行了以下的研究。1.采用相场法模拟了不同相场模型参数下枝晶的生长过程并确定了合适的相场模型参数,研究结果表明:界面宽度会改变枝晶尖端的稳态行为,驰豫时间对枝晶的择优取向以及二次枝晶的生长具有重要影响。2.模拟了不同界面宽度、过冷度、过饱和度和热噪声幅值下等轴枝晶的演化过程,研究结果表明:界面宽度会影响枝晶形貌的复杂度和枝晶尖端的溶质浓度;过冷度对枝晶的生长速度和二次枝晶的发达程度具有重要影响;过饱和度会改变微观偏析程度和枝晶尖端速度;热噪声幅值会引发枝晶主干两侧二次枝晶的不对称生长,而枝晶尖端形貌变化较小。3.模拟了定向凝固过程中不同主枝晶间距、推进速度、温度梯度和热噪声幅值下枝晶侧枝的演化过程,研究发现:主枝晶间距会影响二次枝晶的数量和发达程度以及三次枝晶的生长;推进速度会改变主枝晶界面的稳定性,二次枝晶间溶质的富集程度和主枝晶根部二次枝晶的发达程度;温度梯度会影响早期的枝晶轮廓和二次枝晶的形貌、生长方向,二次枝晶间溶质的富集会引发二次枝晶的粗化和重熔现象;热噪声幅值不仅会改变枝晶主干两侧二次枝晶的不对称度、形貌不规则度以及枝晶内部溶质的不均匀度,而且会改变枝晶尖端的稳态行为和形貌;枝晶尖端形貌、尖端稳态行为和溶质浓度共同影响着二次枝晶的产生。