以钨及其合金为典型代表的难熔金属材料在国防和民用工业领域均有重要工程应用。但是,极高的熔化温度一直阻碍着对其液态物理化学性质和快速凝固机理开展深入的理论研究。如果辅以激光熔凝方式,静电悬浮无容器处理技术将为此另辟蹊径。本文对静电悬浮过程进行了优化设计,并结合分子动力学计算,系统研究了9种难熔纯金属和4种难熔合金的液态热物理性质及其深过冷快速凝固规律,主要取得以下研究结果:1.静电悬浮过程的优化设计与动态控制通过定位光路的精确设计,显著提高了静电悬浮能力,首次成功悬浮起直径达10mm的大尺寸金属材料。同时进一步拓展了静电悬浮系统的功能,设计了触发形核与液淬模块,并且实现了样品温度的精确控制。结合紫光背景技术、数字图像处理以及液滴振荡法,实现了稳定和过冷液态金属的密度、热膨胀系数、表面张力、粘度、比热和辐射率等热物理性质的实验测定。采用高速摄影和光电探测两种方法,实现了过冷熔体的快速凝固过程研究。2.液态难熔纯金属的深过冷与快速凝固在静电悬浮条件下,实现了W、Re、Ta、Mo、Nb、Hf、V、Zr和Ti等9种难熔纯金属的深过冷快速凝固。纯Re是HCP固态晶体结构,其过冷度水平最高,为787K（0.24T_m）,远高于其它BCC结构金属0.18T_m的过冷度。实验测定了这9种纯金属过冷液态和高温固态的密度、热膨胀系数、比热和辐射率随温度的变化关系。通过再辉后凝固平台时间与过冷度的关系,利用外推法得到纯Nb和纯Zr的超过冷临界过冷度分别为706 K（0.26T_m）和524 K（0.25T_m）,并得到其液态平均比热与辐射率。同时,利用液滴振荡法测定了过冷液态纯Nb和纯Zr的表面张力和粘度。将数理统计方法与经典形核理论相结合,研究了纯Nb和纯Zr在静电悬浮中的形核机制。统计结果显示其过冷度都服从高斯分布。利用分子动力学计算了纯Nb均质形核的临界晶核尺寸与过冷度的非线性关系,并获得其固液界面能为0.367 J·m^-2。实验测定发现纯金属的枝晶生长速度随过冷度以幂函数方式增长。其中,纯Ti的生长速度最大,在过冷度为329 K时高达95 m·s^-1。理论分析表明,随着过冷度的增大,难熔纯金属枝晶生长的控制因素从热扩散向界面动力学控制转变。进一步利用分子动力学计算了单一界面动力学控制下Ta、Nb、Zr和Ti的晶体生长速度随过冷度的变化,揭示了其先上升后下降的趋势。3.二元Zr-Ti/Si合金中快速枝晶生长机理研究了Zr₉₀Ti₁₀和Zr₈₀Ti₂₀匀晶合金的快速凝固机制。其枝晶生长速度与过冷度之间呈现幂函数增长的关系,在最大过冷度366 K和379 K处,生长速度分别达到71 m·s^-1和64 m·s^-1。快速凝固过程影响随后的固态相变,过冷度的增大使马氏体组织的微观形貌发生改变。静电悬浮条件下,随着Si含量的增加,液态Zr₉₉Si₁、Zr₉₇Si₃和Zr₉₅Si₅亚共晶合金的过冷水平逐渐增加,分别为392 K（0.19T_L）、423 K（0.22T_L）和451 K（0.23T_L）。（βZr）初生相的枝晶生长速度随过冷度的提高逐渐增大。（βZr）相枝晶生长机制由溶质扩散控制向热扩散控制转变,临界过冷度分别为125 K、240 K和350 K。快速凝固过程中,三种Zr-Si合金的组织都由（αZr）枝晶和（αZr+Zr₃Si）共晶构成,且微观组织随过冷度的增大显著细化。4.液态Nb-Zr合金的热物理性质及快速凝固实验测定揭示了Nb-Zr匀晶合金体系的密度随着温度的升高线性下降,据此修正了其分子动力学势函数。基于液态密度实验的分子动力学计算表明,随着温度的下降以及Nb成分的增加,液态Nb-Zr合金的微观结构有序性提高。实现了液态Nb₉₅Zr₅、Nb₉₀Zr₁₀和Nb₉₅Zr₁₅合金的深过冷快速凝固,其最大过冷度分别为534 K（0.20T_L）、498 K（0.19T_L）和483 K（0.18T_L）,相应最大枝晶生长速度为38.5 m·s^-1、34.0 m·s^-1和27.1 m·s^-1。并且,随着过冷度的提高,微观组织显著细化。Nb₉₀Zr₁₀合金的二次再辉及密度变化趋势表明其凝固过程中可能形成亚稳相,并由分子动力学模拟预测亚稳相为斜方六面体（Rh）结构。5.难熔W-Ta合金熔体中快速枝晶生长特征实验测定了W-x%Ta（x=25,50,75）合金熔体的稳定和过冷态密度,发现其随着温度的升高线性下降,并且在液相线温度处密度的值分别为16.12、15.48和14.87 g·cm^-3。在静电悬浮过程中,液态难熔W-25%Ta、W-50%Ta和W-75%Ta合金的过冷度分别达到752 K（0.21T_L）,745 K（0.21T_L）和773 K（0.23T_L）,其枝晶生长速度随着过冷度的提高显著增大。在最大过冷度处,生长速度分别为35.2 m·s^-1、33.7 m·s^-1和33.4 m·s^-1。当过冷度提高时,W-Ta合金凝固后的微观组织由粗大等轴枝晶向分枝细密枝晶转变,且偏析程度减小。