偏晶合金是一类具有重要工业应用前景和价值的材料,它以其特殊的性能和广泛的用途被应用于自润滑材料、超导材料、电触头材料及轴瓦材料等领域中。常规条件下,偏晶合金的凝固会产生严重的偏析甚至分层,其应用受到很大限制。研究偏晶合金难混溶区凝固过程液相分解及分离行为的微观组织演变机制,为偏晶合金生产工艺的优化和制备技术的开发提供重要的理论依据和预测手段,对制备均质偏晶合金具有十分重要的意义。本文以无重力、重力和磁场条件下Al-Bi偏晶合金难混溶区液相分离形成机制为核心,进行了以下工作。开展了重力条件下Al-10%Bi偏晶合金难混溶区液相分离过程的实验研究,考察了有、无磁场条件下不同合金成分对偏晶合金液相分离的影响。结果表明,重力条件下富Bi液滴的平均直径随着凝固时间线性增大,液滴数量密度随着凝固时间呈指数递减。重力下较强的对流运动增加了碰撞凝并的概率,试样下部富Bi液滴的最大直径随凝固时间呈指数增大。随着合金成分的增加,富Bi液滴的平均直径呈对数增大,不同位置富Bi液滴数量密度的差距逐渐增大。稳恒磁场的施加促进了富Bi液滴的形核,并抑制了富Bi液滴的碰撞凝并和重力迁移,使富Bi液滴得到细化。建立了偏晶合金难混溶区凝固过程的两相数学模型,模型中包括形核、扩散长大、Ostwald熟化、重力沉降、Marangoni运动、Stokes运动以及电磁力抑制对流等多种复杂物理现象耦合的液相分解和分离机制。分别模拟了无重力、重力和磁场条件下不同模型尺寸、不同冷却速率和不同合金成分的Al-Bi过偏晶合金难混溶区液相分离的形成。研究了重力和无重力条件下Al-10%Bi过偏晶合金凝固过程中的温度场、速度场、浓度场、L2相液滴尺寸、体积分数和液滴数量密度的分布,揭示了冷却速率和合金成分对偏晶合金液相分离的影响,并通过实验对数值模拟进行了验证。结果表明,重力条件下试样下部区域存在较强的对流换热,导致了该区域温度的降低。无重力条件下Marangoni力驱动L2相液滴向中心高温区迁移,而重力条件下Marangoni力的影响较小,重力使得速度场呈轴对称外环流分布。重力作用促进了L2相液滴的扩散长大,造成了试样底部大尺寸L2相液滴的层状堆积和L2相体积分数的增加。无重力条件有利于A1-Bi过偏晶合金凝固过程中L2相液滴的形核和均匀分布。模拟研究了有、无磁场对Al-10%Bi过偏晶合金凝固过程中的温度场、浓度场、L2相液滴尺寸、体积分数和液滴数量密度的影响,揭示了不同磁场强度下对偏晶合金液相分离的影响规律,并通过实验对数值模拟进行了验证。结果表明,稳恒磁场削弱了试样下部的强对流换热,降低了试样下部的温降速率,使凝固过程的温度场始终保持环形中心对称分布。稳恒磁场通过抑制熔体对流和增加熔体有效粘度以降低L2相液滴的运动速度,使L2相速度场均匀分布。稳恒磁场还抑制L2相液滴的扩散长大,减弱大尺寸L2相液滴在试样底部的聚集,增强L2相体积分数分布的均匀程度,促进L2相液滴的形核,从而改善凝固组织的宏观偏析。