镁基合金因其密排六方结构（hexagonal close-packed h.c.p.）提出了很多新的科学问题。实际上，即使在目前从理论上对应该如何描述h.c.p.结构的三维枝晶组织形貌、取向选择及演化机理等问题都很不清楚。本文的主要研究目的是对镁合金凝固过程中先析出相α-Mg(X)固溶体枝晶相的三维形貌及其演化建立一个基准的理解，其中X代表固溶的合金组元，如Al、Zn、Sn等。为了描述这一问题，研究的技术路线为：以Mg Al、Mg Zn和Mg Sn系合金为对象，结合三维实验表征与相场法模拟，研究在不同特性合金熔体中先析出的固溶体相α-Mg(X)的三维特性。具体工作为：1）用同步辐射X射线断层扫描（Synchrotron-based X-ray Tomography）技术对镁合金进行表征，获得了各种形态的α-Mg三维枝晶形貌，深入考察了α-Mg三维枝晶的形貌特征及长大过程中的取向选择现象；2）建立了α-Mg三维枝晶长大的相场模型，使用ξ张量公式考虑固液界面能各向异性对三维枝晶形貌的影响，得出了h.c.p.结构α-Mg固溶体相三维枝晶长大基本规律，获得了一些有价值的结论；3）建立了α-Mg三维枝晶凝固的多晶生长相场模型，用并行算法开展了模拟工作。研究结果表明α-Mg固溶体相的枝晶形貌在不同的熔体中展现出截然不同的形貌。在Mg Al合金中，树枝晶的三维形貌表现为板型结构，表明了α-Mg枝晶在第三维方向上的受限生长。在Mg Zn合金中，α-Mg树枝晶的三维特性表现为千姿百态的形貌结构，但枝晶尖端的六个二次分枝结构是其中的一种主要现象。三维的相场模拟计算验证了以上的实验发现。在Mg Sn合金中观察到的二维切片α-Mg(Sn)组织特征表明其三维枝晶形貌肯定更加复杂，有赖于进一步地深入研究。另外，研究结果也表明枝晶形貌多样化是多种因素综合作用的结果。实验与模拟的结果都表明h.c.p.结构的树枝晶三维形貌比预想的要复杂的多。即α-Mg枝晶相的三维形貌还受固溶元素及周围熔体体系的重要影响，另外异质形核相关问题，晶粒间的相互作用等综合因素造就了枝晶生长取向选择上的多样性，因而也表现为形貌上的多样化。本文的相场模拟在一定程度上预测了复杂形貌的α-Mg三维结构形成现象，研究工作也为凝固微观组织的取向可控设计提供了新的视角。