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本文采用电磁悬浮、自由落体和静电悬浮三种无容器处理技术,使液态Ni-Zr合金获得了深过冷,通过调控过冷度实现了凝固过程的主动控制,研究了凝固动力学规律。同时,结合分子动力学模拟从原子尺度阐明了过冷液态合金快速凝固过程中的相选择机理,主要取得了以下研究成果:1、深过冷液态Ni-Zr合金热物理性质研究采用分子动力学方法对液态Ni-Zr合金体系的热物理性质与温度和成分的依赖关系进行了理论模拟。纯金属Ni和Zr、金属间化合物Ni7Zr2和Ni50Zr50四种金属熔点的模拟结果和实验值相吻合;在宽广的温度范围内研究了液态Ni-Zr合金的密度,并用已有的实验值对模拟结果进行了评估,发现除了Ni含量较高的合金,其余成分合金密度的计算结果与实验值吻合较好。采用实验结果对势函数进行了修正,利用修正后的势函数得到了与实验相吻合的结果。液态Ni-Zr合金中当Zr含量为40%时,过剩体积偏离理想溶液最严重,偏离程度达-6.81%,说明此时体系中Ni原子和Zr原子的结合能力最强。液态Ni-Zr合金的热膨胀系数为10-5 K-1量级,比热随Zr元素含量的增加先增大后减小,最后趋于稳定。2、深过冷液态Ni-Zr包晶合金的局域结构研究采用第一性原理分子动力学结合静电悬浮技术研究了过冷液态Ni-16.75 at.%Zr包晶合金的局域结构。双体分布函数和Warren-Cowley参数表明该液态合金呈现出较强的化学短程有序特征。利用HA键型指数法和Voronoi多面体分析方法对液态合金中的拓扑短程序进行了表征。发现完整二十面体和缺陷二十面体团簇的比例小于2.5%,说明该液态合金的局域结构并不是以二十面体或缺陷二十面体短程序为主要特征,但是原子对趋向聚集于完整或缺陷二十面体的团簇中。发现液态Ni-16.75 at.%Zr包晶合金和完整Ni7Zr2晶体中的Voronoi多面体种类非常相似,但与完整Ni5Zr晶体中出现的Voronoi多面体类型不同。液相和包晶相Ni5Zr拓扑结构的较大差异会阻碍Ni5Zr相的形核和生长;而液相和初生相Ni7Zr2结构的相似性使得Ni7Zr2具有较小的液-固界面自由能,所以在凝固的过程中Ni7Zr2相优先形核和生长。3、深过冷液态Ni-Zr包晶合金中初生相与包晶相的竞争形核与生长利用电磁悬浮技术实现了液态Ni-16.75 at.%Zr包晶合金的深过冷与快速凝固。当ΔT<124 K时,发生包晶反应L+Ni7Zr2→Ni5Zr,形成典型的包晶凝固组织。当ΔT>124K时,包晶Ni5Zr相直接从过冷熔体中形核和生长,凝固组织主要由包晶相Ni5Zr组成,但是仍含有少量的初生相Ni7Zr2。为了完全抑制初生相Ni7Zr2的形成,在自由落体条件下实现了该液态合金的深过冷与快速凝固。发现在小粒径的合金液滴中,凝固组织中只有包晶相Ni5Zr,说明了初生相Ni7Zr2的形核和生长被完全抑制。发现在液态Ni-16 at.%Zr亚包晶合金快速凝固过程中存在临界过冷度ΔTcrit=106 K:当ΔT<ΔTcrit时,初生相Ni7Zr2优先从过冷熔体中凝固;当ΔT>ΔTcrit时,包晶相Ni5Zr直接从过冷熔体中生长,初生相Ni7Zr2的形核和生长被完全抑制。采用EBSD技术揭示了两相界面存在明确的取向关系{111}Ni7Zr2//{111}Ni5Zr。利用TEM技术发现了Ni7Zr2/Ni5Zr界面处原子排列平直且比较光滑,说明初生相Ni7Zr2和包晶相Ni5Zr两相界面处原子匹配较好。研究了过冷液态Ni-20 at.%Zr过包晶合金中初生相与包晶相的共生生长。当ΔT<155 K时,凝固组织为典型的包晶凝固组织;当ΔT>155 K时,凝固组织呈现出类似于共晶的层片状结构,表明深过冷诱发了初生相Ni7Zr2和包晶相Ni5Zr的共生生长。Ni7Zr2和Ni5Zr两相相似的液-固界面附着速率和平界面生长形态促使了包晶共生生长的发生。4、深过冷液态Ni-Zr共晶合金中枝晶与共晶生长机制液态Ni-13 at.%Zr过共晶合金在电磁悬浮实验中获得的最大过冷度为270 K。随着过冷度的增大,初生Ni5Zr相发生“小平面枝晶→柱状晶”的形貌转变。采用显微硬度仪对初生Ni5Zr相的力学性能进行了研究,结果显示当过冷度小于200 K时,显微硬度随着过冷度的提高而减小;当过冷度超过200 K后,显微硬度急剧增大。利用电磁悬浮技术实现了液态Ni-5 at.%Zr亚共晶合金的深过冷与快速凝固。揭示了初生（Ni）相缓慢的枝晶生长特征,在实验获得的最大过冷度262 K处,枝晶生长速度仅为78 mm/s。通过对比发现随着Zr含量的增多,液态Ni-Zr合金中初生（Ni）相的枝晶生长速度会持续下降。过冷液态Ni-8.8 at.%Zr共晶合金在快速凝固的过程中发生了初生相与共晶的竞争形核与生长。在电磁悬浮实验中获得的过冷度为12180 K,凝固组织中均出现了初生（Ni）相,说明该合金的共生区很窄,在枝晶与共晶竞争生长的过程中,（Ni）相优先形成。