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Cu-Fe合金在液相线以下存在一个亚稳的液态难混溶区,属于亚稳难混溶合金。该合金因兼具两种组元的优点,具有高的导电、导热性,良好的延展性以及优异的电磁兼容性,且成本低廉,在众多领域展现出广阔的应用前景。然而,该合金在常规重力场条件下凝固过程中易产生空间相分离组织以及大范围的成分偏析,这造成较高Fe含量(≥15wt.%)的Cu-Fe合金制备仅能借助机械合金化和真空电弧熔炼法,有限的样品尺寸及复杂的工艺极大限制了该种合金的工业化应用。截至目前,关于高Fe含量Cu-Fe合金的研究更多集中在微重力及深过冷条件下的合金凝固行为及液-液相分离过程,对其在常规重力场条件下的凝固行为及偏析形成原因研究甚少,且对高Fe含量合金磁性能研究更多侧重于机械合金化制备的合金。因此,本文从热力学及熔体结构角度对高Fe含量的亚稳难混溶Cu-Fe合金在常规重力场条件下凝固过程中相分离及成分偏析行为进行分析研究,阐明了亚稳难混溶Cu-Fe合金熔炼过程中的组织演变规律,在此基础上提出了合金的熔体均匀化模型,并采用铜合金制备领域常用的石墨和铜模具,探讨了凝固过程中冷却速度对于合金组织演变及凝固行为的影响。揭示了冷却速度、组元Fe含量及高温退火处理对其磁性能的影响。主要得到以下研究结果:(1)通过对合金体系混合焓以及过剩吉布斯自由能热力学函数的计算,以及对偶分布函数、原子配位数、Bhatia-Thornton(B-T)的熔体结构因子的模拟计算,均发现亚稳难混溶Cu-Fe合金熔体存在微观成分不均匀现象,具有较强的液-液相分离趋势且易形成组织偏析。通过实验揭示了高Fe含量Cu-Fe合金熔炼过程中的组织演变规律,在此基础上提出了亚稳难混溶Cu-Fe合金的熔体均匀化模型;以此理论模型为依据,通过感应熔炼设备可以成功制备直径达35mm圆柱状、Fe含量最高为40wt.%的组织均匀且无液-液相分离存在的Cu-Fe合金。(2)亚稳难混溶Cu-20wt.%Fe合金凝固过程中的相转变类型会随凝固条件的不同而产生明显差异。合金熔体在石墨模具中冷却时(冷却速度40±5K·s-1和95±10K·s-1)既发生了液-液相分离(包括初次以及二次液-液相分离),又发生了液-固相转变,液-液相分离形成的原因是凝固过程中液-固界面前沿成分过冷以及亚稳难混溶Cu-Fe合金熔体固有原子偏聚特性所共同引起;然而在铜板模具中的冷却时(冷却速度330～580K·s-1)仅存在单一液-固相转变;且随着冷却速度的增加,富Fe相枝晶的形貌由发达树枝状向胞状转变,且数量增加,尺寸减小。当冷却速度较快时(铜板模具中),胞状枝晶形成了过饱和α-Fe固溶体,发生显著的“溶质截留”。(3)亚稳难混溶Cu-20wt.%Fe合金凝固过程中的初次液-液相分离所形成富Fe相球以及内部的二次液-液相分离过程均受冷却速度的显著影响。随着冷却速度从40±5K·s-1增加到95±10K·s-1,初次液-液相分离所形成的富Fe相球的平均尺寸由14.8μm减小至5.2μm,尺寸分布图中的双峰位置对应尺寸分别从7.5μm和21.3μm减小到3.3μm和9.5μm;且富Fe相球中的溶质Cu含量由40～50wt.%减少到30～40wt.%。另外,冷却速度能够显著影响富Fe相球内部二次液-液相分离过程中少量相的形核率及其迁移运动时间和程度,且初次液-液相分离所形成的富Fe相在凝固过程中存在异步凝固特征,使其内部微观组织存在着显著差异。(4)研究了初次液-液相分离所形成的富Fe相球中内部二次液-液相分离的演变过程。在二次液-液相分离过程中,少量富Cu相形核后主要受马尔格尼迁移运动的主导作用将沿着径向向内部迁移运动,且在此过程中伴随着少量相的扩散长大、聚合、凝并、碰撞以及Ostwald熟化等行为的发生,因而富Fe相球内部少量相呈现由内而外平均尺寸减小的分布特征,且由于迁移时间存在差异而呈现复杂多样的内部微观组织;成功借助相场模拟手段揭示了初次相分离所形成富Fe相液滴中二次液-液相分离组织演变的动态过程,对于深入理解难混溶合金的液-液相分离过程具有积极意义。(5)亚稳难混溶Cu-Fe合金的成分及凝固过程中的冷却速度均能够影响Cu-Fe合金的软磁性能。冷却速度越慢,凝固过程中更容易析出铁磁性的α-Fe颗粒,从而提高合金的饱和磁化强度;冷却速度由于影响初次相分离富Fe相球的粗化生长及二次液-液相分离过程,从而影响初次液-液相分离所形成富Fe相尺寸及内部微观组织,使合金矫顽力发生变化。随着组元Fe含量从10wt.%增加到40wt.%,合金的饱和磁化强度Ms由15.1emu·g-1增加到74.8emu·g-1,呈现单调而非理想线性的增加趋势,矫顽力呈现非单调的微小变化。(6)退火后(950℃,4h)Cu-Fe合金中富Fe枝晶中析出大量弥散分布的双级纳米尺度富Cu相,分别为尺寸15.3±0.8nm的9R孪生结构富Cu相及90±5nm的FCC-Cu相,这些析出的富Cu相能够对磁化过程中磁畴璧的运动产生钉扎作用,从而增加合金的矫顽力;同时Cu基体中也发现大量均匀弥散分布的纳米α-Fe颗粒,计算发现析出的α-Fe颗粒是导致退火后合金饱和磁化强度提升的根本原因。总而言之,退火处理能够在小幅增加Cu-Fe合金矫顽力的情况下,提高合金的饱和磁化强度,进一步优化其软磁性能。