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过共晶Al-Si合金由于具有高的比强度和良好的铸造性能,得到了广泛的应用。制约过共晶Al-Si合金应用的关键是初晶Si的尺寸和形貌。对于含Si量大于50wt.%的Al-Si合金,初晶Si异常粗大,导致难以应用。超高硅铝合金在电子封装等领域具有特殊的用途;并且具有高的硬度和良好的耐磨性等优良性能,因而具有潜在的应用价值。因此,开展超高硅铝合余的晶粒细化研究具有现实意义。在细化机理方面,现有文献局限于晶格错配度理论,缺乏从原子层次上研究异质形核界面的结合情况,而这对于进一步揭示细化机理有理论意义。本文利用高倍视频金相显微镜（HSVM）、电子探针显微分析仪（EPMA）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、差式扫描量热仪（DSC）、高温熔体X射线衍射仪等测试手段研究了采用Si-20P中间合金细化超高硅铝合金的规律;采用高性能计算软件Materials Studio,用第一性原理研究了超高硅铝合金细化过程中涉及到的几种物相:TiC、AlP、Si和Al,研究了这4种物相的体性质、表面性质和它们之间的界面性质,研究了界面附近原子间的结合情况。考虑到吸附行为在形核初期的重要性,还研究了Si原子在AlP表面的吸附问题。主要研究工作和结果如下:发现采用新型Si-20P中间合金可以有效细化含Si量在30-70wt.%范围的铝合金,使初晶Si尺寸由2-6mm细化至30-50μm。在Si含量达到50wt.%时,所需要的临界细化温度和临界加P量都存在突变现象,Si含量小于50wt.%时,细化所需要的最小过热度△Tmin小于100K(△Tmin=Tmin-TL,Tmin为临界细化温度,TL为液相线温度);而当Si含量大于50wt.%时,细化所需要的最小过热度△Tmin基本上为恒定值260K。利用高温熔体X射线衍射仪研究了Al-50Si合金熔体微观结构随温度的变化,发现上述突变现象与其熔体微观结构随温度的演化有关。通过对熔体的相关半径、团簇平均原子个数和配位数等的比较,发现在低过热熔体中,团簇的尺寸明显增加,而配位数增加幅度较小。即在较低的过热温度下,熔体中存在中程有序结构特征,因而不能达到良好的细化效果。在结构因子图中,当Al和Si的特征峰均不明显时,方可达到良好的细化效果。提出了细化超高硅铝合金的两种新方法,可以有效细化含Si量高达70wt.%的铝合金。一种是采用Si-20P中间合金细化,并根据试验数据得出了临界细化温度和临界加P量的经验公式;第二种是运用TiC/AlP复合粒子形核的原理,采用Si-20P中间合金和适当配比的Al-TiO2-C粉末压块体来细化,这样不仅可以提高细化效果,而且较前一种方法降低所需熔体温度100K左右。在细化后的初晶Si内部观察到TiC/AlP复合粒子,分析了Al-TiO2-C混合粉在熔体中的反应过程以及原位生成的TiC粒子与AlP的相互作用。观察并分析了Si-20P中间合金在铝熔体中的反应、扩散、长大和溶解过程。（1）该中间合金中的SiP与铝熔体发生反应生成颗粒状的AlP聚集体,随保温时间延长颗粒状AlP发生扩散并长大为条状;（2）熔体经历高温以后,条状AlP发生溶解,凝固后析出成短针状。AlP在Al-Si合金中可能的存在形态有:颗粒状、短针状、长条状和粗大的板片状,不同形态的AlP对初晶Si细化的促进作用亦不相同。细小弥散分布的AlP对初晶Si的细化最为有利,而熔体中存在粗大或板片状的AlP则使生成的初晶Si非常粗大。由于AlP很容易在抛光或放置过程中与水蒸汽发生反应,故在文献中常看到的初晶Si内的AlP相,实际上是氧化后的含P相。本文采用特殊方法制备了未氧化的试样,在背散射照片中观察到未氧化的AlP相,它与初晶Si的颜色基本一致。用差热分析仪对细化前后的Al-50Si合金进行分析发现,加P细化后的合金初晶Si的析出温度明显升高,形核过冷度显著降低。通过调整凝固条件和加P量,可以改变初晶Si的生长形貌,使超高硅铝合金中的初晶Si也可存在类似共晶Si变质后的珊瑚状形态。研究了AlP（100）、（110）和（111）面原子层数从2层到6层变化时表面能的变化,AlP的（100）、（110）和（111）面分别达到3、4、5层以后,表面能即不再明显变化,此时已经显示出体性质。经计算得出:（100）表面能最高,（111）表面能次之,（110）表面能最小。6层AlP（111）面在弛豫后,表面朝向真空层的一侧电子密度显著减少,P原子所在的位置电子密度有所减少,而Al原子所在的位置电子密度有所增加。AlP（111）面在弛豫后,费米能附近的DOS峰值显著下降,经过弛豫后表面稳定性增加。表面弛豫不仅引起表面几何结构的变化,而且使表面层的电子结构与键合特性发生变化,弛豫后表面层原子的部分价电子转移到了真空层,使表面层原子的电子态密度发生变化,而且还出现新的表面态。研究发现,AlP不同表面上的电子态密度在费米能级处的峰值不相同,这反映了不同表面性质的差异。对表面不同原子层局域电子态密度的分析发现,AlP表面性质主要受第一层和第二层原子的影响。Al原子随着表面深度的增加,费米能处的DOS峰值迅速下降。对AlP表面稳定性的研究发现,AlP（111）面的表面自由能依赖于体系的化学成分,在一定范围内变动。当Al的化学势较低时,AlP以P终止更稳定:而当Al的化学势较大时,AlP以Al终止更稳定。总体上,在大部分区域以P终止更稳定。研究了AlP/Si界面结合能的大小,发现同一晶面结合时,P-Si比Al-Si的界面结合能大;锯齿形结合界面能较大,同时界面间距较小,说明结合后更稳定。由于AlP存在极性表面和非极性表面,这对AlP/Si的界面影响很大:经过仔细比较DOS图发现,费米面附近分两类情况:一类是费米面附近DOS数值很小,对应非极性AlP表面和Si组合的界面类型;另一类则是在费米能级处的DOS数值较高,有的还存在小峰,属于极性AlP表面和Si组合的类型。极性AlP表面与Si形成Al-Si结合界面时,费米面附近的DOS主要是Al原子的贡献。对于Si-P界面类型,费米面附近的DOS主要来自P原子的贡献。所有的AlP/Si界面都显示了一定的离子性质,即Si原子在Si-Al结合时将得到电子,而在Si-P结合时将失去电子。在各种界面结合中,起主导作用的是Si-Al或Si-P共价键。当Al或P原子不是直接位于Si原子的上方,而是位于Si原子之间时,界面间距较小,同时界面结合能也较大,说明这种界面更稳定。经过弛豫后,Si原子发生了一定的横向移动,不再停留在原来Al或P原子的上方,而是倾向于停留在Al与P原子中间,从而形成锯齿形的结合界面。发现Si原子在AlP不同表面的吸附能均较大。Si-P结合方式有时以双键结合,有时以三键结合,Si-Al结合则均是以单键结合。Si与P成键时的吸附能比Si与Al原子成键时的吸附能大。在吸附过程中,Si原子受P原子的影响要比Al原子大。同时研究了细化后合金中的其它界面结合情况。一是研究了两种Si-Al界面的结合:[110]si//[112]Al,[103]si//[110]Al,得出第二种界面结合能更高,界面间距更小;通过研究这两种Si/Al界面的电荷密度分布和差分电荷密度分布,得出Al-Si之间呈现较弱的共价键,界面处的Al原子与Si原子成单键结构;通过原子布居分析,发现它们之间也存在少量的离子键成分。二是研究了TiC/AlP界面,得出它们的界面形成需要吸收大量的能量,即TiC与AlP之间形成界面是一个吸热过程。原位反应生成的TiC易于和AlP结合,反应时放出的热量为TiC与AlP的界面结合提供了能量条件。