铸件凝固过程及组织的控制是金属学领域研究的重要内容之一。对于大型零件特别是形状复杂的铸件,通过合理设计材料组织,控制其浇铸过程,可以显著提高工件性能并充分发挥材料的设计潜力。凝固组织设计涉及多方面内容,包括凝固条件、组织形态、铸件性能以及三者之间的相互关系。其中,对凝固组织形态演进规律的认识是其核心内容之一。从实验的角度研究金属凝固过程形态演进具有较大的困难。首先,液态金属一般具有较高熔点。其次,液态金属对于可见光不透明。第三,难以对生长前沿进行持续动态跟踪。传统的研究方法包括有机合金的模拟研究和界面的快速冷冻。这些方法在一定程度上促进了凝固形态学的发展,但也具有相当的局限。当前,高亮度同步辐射成像技术的发展和应用,为实时动态研究金属凝固过程中的形态演进过程提供了理想的实验条件。本课题借助上海光源X射线成像线站提供的实验平台,在定向凝固条件下对不同成分二元Al-Cu合金中的晶体生长现象进行系统性实时原位观察研究。结合凝固后的组织分析,研究了枝晶臂的断裂原因、柱状枝晶向等轴枝晶的转变、枝晶形态选择和Al₂Cu晶体的形态演进等问题。断裂的枝晶臂可以作为生长界面前沿等轴枝晶的形核核心,促进等轴枝晶的形成并进而阻断柱状枝晶的连续生长,因此对枝晶生长形态的演进具有重要影响。本文以亚共晶Al-Cu合金中的柱状枝晶为研究对象,分别从力学和重熔的角度研究了枝晶臂的断裂原因,揭示了枝晶臂断裂与枝晶生长前沿的成分过冷以及熔体流动的关系。研究发现,枝晶臂的断裂过程中,重熔和应力作用同时存在并相互促进。重熔作用在断裂的最初阶段起主导作用,随着枝晶臂根部缩颈半径的减小,应力集中效应逐渐明显。当缩颈半径减小到对应于枝晶臂屈服强度的临界缩颈半径时,枝晶臂将发生断裂。研究还发现,在距生长最前沿800-1000μm处存在枝晶臂断裂的敏感带,枝晶臂的断裂可以连续进行。研究发现,当柱状枝晶一次晶臂间距较小且排列整齐时,柱状枝晶生长前沿具有稳定的温度梯度和浓度梯度,熔体对流也相对较弱,柱状形态易于保持动态的稳定。当因为生长方向的偏差导致柱状枝晶一次晶臂间距逐渐增大或者生长方向发生改变时,会在界面前沿形成较大的开放区域,即袋状熔体区。袋状熔体区附近的高阶晶臂更为发达,同时由于该区域的开放性,在其中可以形成较强的熔体对流,从而促使位于断裂敏感带的高阶晶臂发生断裂。断裂的晶臂碎片在熔体中呈等轴方式长大并向生长前沿漂移。随着固液相密度差的减小,等轴晶的漂移在生长前沿停滞并阻断柱状枝晶的连续生长。枝晶臂的连续断裂形成的碎片可以作为等轴晶生长的核心。在枝晶生长演变过程中,发现了Al-15wt.%Cu合金中柱状枝晶的形态选择。发现一种新的柱状枝晶形态,根据其特征命名为无轴柱状枝晶。该型枝晶由两个较大的分枝组成,其中心为狭长液相区。研究发现无轴柱状枝晶沿<110>方向生长。建立了枝晶尖端模型,分析了无轴柱状枝晶尖端附近熔体中的溶质分布及尖端位置的微观热流,解释了其二次晶臂的生长优势。对于过共晶合金,详细研究了合金中的晶体生长特点。Al₂Cu晶体的生长尖端为细长针状,沿[001]方向生长迅速。相邻的晶体在生长后期逐步融合为较大的簇状晶体。簇状晶体的横截面为不规则的正方形形态。其外围小晶体环绕晶体簇中心向外拓展生长,生长速度相对缓慢。结合Al₂Cu晶体的结构特征,分析了晶体生长过程中微观热流传递,解释了簇状形态的形成原因,分析了过共晶合金中初生相的生长机制。综上,通过对不同成分合金凝固组织演变过程的实时原位分析,揭示了晶体生长过程中一部分关键形态演变规律,为亚共晶及过共晶合金的组织控制提供了重要依据。研究成果增进了对晶体形态演进规律的认识,对于铸造工艺设计和凝固理论发展均具有重要参考意义。