凝固热裂纹是合金凝固过程中常见的主要缺陷,其严重影响产品的使用性能及结构安全性。研究凝固过程中微观组织的演变有助于分析热裂纹缺陷的产生机理,为生产工艺和产品结构的设计提供一定的原则指导。相场法作为一种重要的微观组织演变模拟方法,可通过正确高效地耦合温度场和溶质场等外部场获取接近实际凝固过程的组织演变信息,基于此提取的凝固路径信息可以作为热裂纹敏感性预测模型的输入数据。因此,本文通过构建能够计算准确凝固路径的二元多相和二元单相多晶定量相场模型,选择合适的热裂纹敏感性评估模型,拟实现Al-Cu合金热裂纹敏感性的准确预测。构建非等温条件下二元多相（多个固相）凝固定量相场模型,可实现多相形核和多相枝晶自由生长定量模拟,并提出温度相关的薄界面极限条件和热噪声方程。构建的相场模型实现了晶界能和界面动力学系数的调控,晶界能调控范围为γgb/γsl∈（2,5）。此外,分别提出了与温度相关的热噪声项方程,通过调整局部耦合系数（反比于形核能垒）模拟异质形核剂,动态随机地分配异质形核点等在相场模型中耦合形核过程,实现二元多相凝固全过程定量模拟。在此模型基础上,模拟了Al-Cu合金定向凝固过程中枝晶间第二相的形核和生长。结果表明,当枝晶间有第二相产生时,第二相的生长不仅抑制了枝晶间液相槽变长,同时使液相槽保持了足够的宽度,从而有利于液相的补充,因此,枝晶间第二相的生长有利于减小热裂纹的敏感性。在考虑晶界能对晶粒间凝并过程的影响作用基础上,构建了能够实现枝晶自由生长和晶粒凝并过程定量模拟的二元稀溶液多晶凝固定量相场模型,可以实现三种不同类型晶界（吸引型、中性型和排斥型）的晶界能的调控,晶界能调控范围为γgb/γsl∈（0,5）。通过对三种晶界能条件下的晶界凝并行为的模拟研究,结果表明相场模拟中不同类型晶界的凝并行为特征与尖锐界面模型结果完全一致,即:随着晶界能的增大,晶界的凝并温度降低;吸引型晶界在凝并过程中出现界面不稳定现象;随着固相溶质扩散系数的减小,凝并温度降低。此外,通过一维和二维相场模拟结果对比发现,由于溶质在枝晶间液相槽液相中的快速扩散,实际凝固过程中背扩散对凝并过程的影响十分有限,也说明本文所构建的二元稀溶液多晶凝固定量相场模型可以进行凝并过程的定量模拟。对比分析了Scheil模型和定量相场模型计算所得的凝固路径,结果表明针对一维定向凝固过程的Scheil模型计算所得凝固路径与定量相场模型计算结果相差较大,尤其在凝固终了阶段,因此Scheil模型计算凝固路径不适合作为热裂纹敏感性评价模型的输入数据。同时对比分析了两种热裂纹敏感性评价模型（RDG模型和HCI指数）,结果表明在使用定量相场计算所得凝固路径进行热裂纹敏感性评价时,基于RDG模型提出的HCI指数所给出的预测结果与RDG模拟预测结果不一致,因此,提出了结合凝并过程定量的多晶相场模型和RDG模型,进行热裂纹敏感性研究的方法。使用多晶定量相场模型模拟了Al-Cu合金双晶在定量凝固条件下的生长过程。通过提取凝固路径信息,研究了晶界能、晶粒间夹角、晶粒生长方式和热噪声对凝固热裂纹敏感性的影响。研究表明Al-Cu合金的热裂纹敏感性随浓度变化趋势呈“Λ”型,与实验结果一致;随着晶界能的增加,热裂纹敏感性最高点对应浓度逐渐减小;发散式晶粒生长热裂纹敏感性最高点对应浓度高于收敛式晶粒生长对应浓度;对于大角度晶界,压力降随晶界角度增大而减小。对基于定量相场模型计算所得凝固路径,使用RDG模型计算的压力降数值和液相理论开裂应力进行了对比分析。结果表明:最大压力降随着晶界能的增大而增大;当γgb/γsl≥1时,最大压力降均高于10 MPa,其中当晶界为排斥型晶界和晶粒收敛式生长时其最大压力降高于600 MPa,表明热裂纹往往产生在大角度晶界处（排斥型晶界）。此外,对不同晶界能大小下,压力降超过10 MPa的溶质浓度范围进行统计,结果表明,可以产生热裂纹的溶质浓度范围为0.50-3.25 wt.%,与实验结果一致。因此,结合本文构建的凝固全过程定量相场模型和RDG模型不仅能够预测热裂纹的敏感性,还可以判断液相中是否产生空穴（即热裂纹的产生）。