金属间化合物是工程合金中的重要组成相，具有高屈服强度、良好的抗蠕变性及抗腐蚀性等优点，有着广泛的应用前景，如Ti3Al相结构材料、NiTi相形状记忆材料、LaNi6相储氢材料等。在凝固过程中，金属间化合物存在小平面和非小平面生长方式的竞争及转变，引起生长形态演变，并伴随着取向的选择过程。然而，关于金属间化合物在组织形态演变过程中的取向变化规律尚不清楚。此外，金属间化合物较差的韧性严重限制了其工业化的应用。针对上述问题，本文选取Al-40wt%Cu过共晶合金中金属间化合物Al2Cu相为研究对象，采用定向凝固技术，系统地研究了定向凝固速率、尺寸效应对金属间化合物Al2Cu相的凝固组织演化和取向变化的影响，探讨了Al2Cu相在不同条件下的生长机制；研究了凝固速率对过共晶合金力学性能的影响。全文主要研究内容和结论如下：(1)采用最高界面生长温度假设理论，计算了获得初生Al2Cu相枝晶析出的临界凝固速率为2.67μm/s，理论分析了Al2Cu相生长形态随凝固速率变化的规律，并给予实验验证。随着定向凝固速率的增大，金属间化合物Al2Cu相的生长形态从共晶层片状依次向棱面L字型、非规则I字型和非小平面特征的三叶状枝晶形貌演化，并通过连续切片技术观察了Al2Cu相的三维组织形貌由棱面体逐渐向非棱面体变化的规律。(2)采用宏观和微观取向分析发现各定向凝固速率下初生Al2Cu相枝晶在轴向均沿着其[001]方向生长，且随着凝固速率的增大，生长取向逐渐偏离定向凝固热流方向，最大偏离程度达8.91°；侧向存在[110]、[310]和[200]多个生长取向导致在较高凝固速率时Al2Cu相枝晶由棱面界面向非棱面界面转变。基于二维生长理论解释了定向凝固下Al2Cu相枝晶的生长机制，结果表明，凝固过程中Al2Cu相枝晶包括轴向长大过程和侧向粗化过程。(3)经过定向凝固恒速10μm/s抽拉100mm，初生Al2Cu相枝晶随着凝固距离的增大在纵截面由规则棱面V字型形貌变为非棱面复杂形貌并最终消失，固液界面前沿溶质逐渐减少。Al2Cu相枝晶在侧向的生长取向由[110]方向转变为(121)晶面的法线方向；在轴向的[001]生长取向逐渐偏离热流方向。通过Scheil模型，定量解释了Al-40%Cu合金的固液界面前沿溶质减少的原因及生长形态变化的规律，与实验结果吻合。(4)在定向凝固10μm/s跃迁减速到2μm/s过程中，初生Al2Cu相枝晶在纵截面由规则棱面V字型形貌变为非棱面棒状形貌，体积分数先增大随后减小；在横截面由棱面L字型形貌先粗化形成非棱面胞枝状形貌，而后发生细化形成棒状形貌，合金成分在变速界面后先增大后减少。Al2Cu相枝晶沿轴向的生长取向[001]方向在变速后逐渐靠近凝固热流方向。通过定量分析了枝晶界面上的液相成分与Péclet数之间的关系，讨论了Al2Cu相枝晶变速后组织形貌演变规律。(5)为了研究对流作用对Al2Cu相组织形态和取向变化的影响，自行设计尺寸厚度为0.45mm试样的制备装置，并对不同尺寸的试样进行定向凝固实验。随着试样尺寸的减小，Al2Cu相枝晶在横截面从棱面L字型和E字型形貌逐渐转变为方块形形貌，其三维组织为四方体形貌。Al2Cu相枝晶在轴向的[001]生长取向与热流方向的偏离度逐渐减小至3.78°；侧向的生长取向由[110]和[310]等逐渐趋近于[310]方向。采用高分辨透射电子衍射技术确定了棱面L字型Al2Cu相枝晶的棱面侧面为{110}面，四方体Al2Cu相枝晶棱面侧面为{110}面。采用取向连接机制对Al2Cu相枝晶侧向生长机制进行了解释。通过分析对流作用的影响，讨论了Al2Cu相枝晶侧向生长取向转变及轴向生长取向偏离度减小的原因。(6)在0.45mm试样中，随着凝固速率的增大，初生Al2Cu相枝晶逐渐变为棱面方块形形貌，其轴向的生长取向愈加集中于[001]方向。通过分析在纯扩散条件下凝固速率对固液界面前沿溶质分布的影响，分析了Al2Cu相晶面能的变化规律，并给出了小尺寸试样中Al2Cu相枝晶方块形形貌的形成机制。(7)随着凝固速率的增大，定向凝固Al-40%Cu合金的抗压强度、抗拉强度和抗弯曲强度分别达到了247.8MPa，277.2MPa和49.6MPa，明显高于真空感应熔炼态合金的性能158MPa，152MPa和36.3MPa，并且室温断裂韧性最高可达到6.23MPa·m1/2，较感应熔炼态提高了37.3%。从组织细化和取向变化引起裂纹传播方式改变的角度，分析了定向凝固Al-40%Cu合金力学性能随凝固速率增大而提升的原因，并探讨了凝固组织、取向变化及力学性能的关系。