深过冷液态合金的快速凝固动力学研究有助于揭示凝固过程与组织形成的内在联系。它不仅可以完善过冷液态合金的凝固理论，而且能给新型合金材料的设计提供科学依据。基于电磁悬浮、静电悬浮、自由落体和熔体急冷四种超常凝固实验技术，结合高速摄影分析技术和三维相场计算方法，系统研究了过冷液态Fe基和Co基合金的凝固动力学，主要取得了以下研究结果：　　1、无容器条件下液态Fe-Ti包晶合金的深过冷和快速凝固　　液态亚包晶Fe59Ti41合金在无容器条件下获得的最大过冷度接近0.2TL。当过冷度增大时，初生相枝晶生长速度以双指数函数方式增大，包晶反应时间线性减小。同时，初生相发生了“粗大枝晶→细化枝晶→蠕虫状枝晶”的形貌转变，包晶相的体积分数大幅减少。快速凝固扩展了组成相的固溶度。当过冷度增加到某个临界值时，直接形核的初生相和包晶相协同生长，其生长速度随过冷度线性降低，并形成类共晶组织。　　静电悬浮和电磁悬浮实验中液态过包晶FeTi合金获得的最大过冷度分别是211和226K。初生相枝晶生长速度随过冷度以幂函数方式增大。电磁搅拌和过冷度的增加均会促使初生相失去小面相生长特征。在自由落体实验中，当合金液滴尺寸减小时，凝固组织依次呈现小平面和非小平面枝晶以及等轴晶特征。　　悬浮状态下液态Fe2Ti合金的过冷度高达315K。Fe2Ti金属间化合物发生有序-无序转变的临界过冷度约为299K。随着过冷度的增大，凝固组织由粗大枝晶转变为细化等轴晶。自由落体条件下Fe2Ti合金液滴的凝固组织以等轴晶为主要特征，等轴晶粒在液滴尺寸减小时逐渐细化。　　2、深过冷液态Fe-Ti共晶合金中枝晶与共晶生长机理　　电磁悬浮条件下亚共晶Fe89Ti11、共晶Fe84Ti16和过共晶Fe79Ti21合金取得的过冷度分别高达245、202和300K，这些合金的初生相枝晶生长速度与过冷度之间均具有幂函数关系。亚/过共晶合金的凝固组织始终以初生相枝晶为主要形貌特征。当过冷度超过11K时，共晶合金的组织从层片共晶转变为初生相枝晶和枝晶间共晶构成的复合组织。　　在电磁悬浮实验中，亚共晶Ti75Fe25、共晶Ti70.5Fe29.5和过共晶Ti58Fe42合金获得的最大过冷度分别是366、232和275K。对于Ti75Fe25合金，初生β-Ti枝晶生长由“溶质扩散控制→热扩散控制”转变的临界过冷度为136K，深过冷条件下共晶和共析反应在一定程度上被抑制。对于Ti70.5Fe29.5合金，当过冷度增大到45K以上时，规则共晶演变为以初生FeTi相为特征的过共晶组织，初生相发生“枝晶→颗粒状”的形貌转变，枝晶间共晶组织明显减少。对于Ti58Fe42合金，在过冷度增大时，初生相枝晶生长速度以幂函数形式增大，粗大枝晶被蠕虫状枝晶逐渐取代，同时伴随着枝晶间共晶的减少。　　在自由落体实验中，随着合金液滴尺寸的减小，Ti75Fe25合金中初生相经历了“枝晶→等轴晶”的形貌转变，Ti70.5Fe29.5合金的规则共晶组织演变为初生相枝晶、规则和非规则共晶构成的复合组织，Ti58Fe42合金中亚稳单相组织将被保留下来。　　3、三元Fe-Cu/Sn-Si/Ge难混溶合金的液相分离动力学研究　　借助3D相场模拟技术和自由落体实验方法，对具有正混合热的Fe-Cu包晶型合金的亚稳液相分离动力学进行理论预测和实验验证。当冷却速率很小时，合金液滴形成近平衡包晶凝固组织。随着冷却速率的增大，合金液滴凝固组织表现为形态各异的相分离形貌。当冷却速率继续增大时，非平衡包晶凝固组织将被保留下来。　　采用熔体急冷实验技术和格子玻尔兹曼计算方法研究了三元Fe-Cu-Si合金条带的相分离动力学。随着辊速的增大，合金条带的凝固组织经历了“纤维状→棉花状”相分离形貌的转变。模拟结果显示，剪切力是纤维状相分离形貌演变的主要动力学因素。　　基于自由落体技术和相场模拟方法，研究了液态Fe-Sn-Si/Ge难混溶合金的液相分离动力学。研究发现，微重力下的液相分离主要受到表面偏析和Marangoni对流的控制，其相分离形貌以壳核和弥散结构为主要特征。通过改变冷却速率和合金成分，可以对壳核组织形成的动力学和热力学条件进行控制，进而调控壳核组织的构型和层数。　　4、三元Co-Cu-Pb难混溶合金的三重相分离动力学研究　　自由落体条件下三元Co-Cu-Pb合金液滴发生三重液相分离，形成了由富Pb“壳”、富Cu“中间层”和富Co“核”构成的三相三层壳核组织，其形貌特征与合金液滴尺寸密切相关。随着合金液滴尺寸的减小，富Pb“壳”变得越来越明显，同时富Co“核”逐渐远离壳核组织的中心位置。　　理论分析表明，小合金液滴中增大的温度梯度会加速富Pb表面偏析层的生长，非对称Marangoni对流和残余的Stokes运动是形成偏心壳核组织的两个关键因素。壳核组织的偏心程度主要受到合金液滴尺寸和初速度两个因素的控制。　　为了研究三重液相分离的动力学机制，本章建立了一个三元难混溶合金中三重相分离动力学的三维相场模型。根据此模型再现了三相三层壳核组织的演变过程，发现模拟结果和实验结果相一致，这验证了该模型的正确性和可靠性。此外，对微重力条件下三相壳核组织的形成机制进行探索，同时利用相场理论讨论了温度梯度对表面偏析层生长过程的作用规律。