铝合金因其良好的铸造性能,已在航空航天、兵器工业、轨道交通和汽车等领域得到广泛应用。随着我国国防科技和工业水平的快速发展,环保和节能减排的需求以及各种特殊的应用场景对铝合金铸件提出了大型化、复杂化、精密化、薄壁化、集成化、轻量化等发展需求。而这些会引起铸件凝固过程中薄壁处液相补缩不足、变截面处液相流动加剧、热节处应力集中,从而引起铸件内部微观孔洞、偏析和热裂等缺陷的增多,严重影响铸件的力学性能和服役寿命。半个多世纪以来,许多研究者针对铝合金铸件中的孔洞、偏析和热裂缺陷的形成机理进行了详尽的研究,并针对微观孔洞、偏析和热裂三种缺陷分别单独提出了许多不同的预测模型。但是,在实际的凝固过程中微观孔洞、偏析和热裂往往同时存在,其形成机制存在一定关联,形成过程相互影响。本文针对以柱状枝晶方式凝固的Al-Cu合金,分析了微观孔洞的析出对枝晶间补缩液流、糊状区局部溶质再分配行为和糊状区压降的影响,基于此提出微孔与偏析的耦合预测模型,以及新的热裂判据。针对凝固过程中糊状区的微观孔洞的形成,首先建立氢在合金熔体中的溶解度随温度和合金成分变化模型,并结合枝晶间由凝固收缩导致的补缩液流所产生的补缩压降,得到氢在熔体中的溶解度变化规律。通过分析氢在凝固界面处固相、液相和气相的再分配行为,建立了一个耦合气体析出和收缩压降两方面作用的微观孔洞预测模型。针对以柱状枝晶定向凝固的Al-4.5 wt%Cu合金,利用上述模型计算了糊状区的补缩压降和微孔内氢分压在凝固过程中的变化,进而预测了不同初始氢含量下糊状区中微孔体积分数的变化规律,并且考虑了共晶凝固时的微孔析出。同时,也研究了不同的微观组织尺寸,特别是一次枝晶间距对合金凝固过程中枝晶间微孔内部压力和微孔体积分数的影响。计算结果表明,微孔内氢分压Pg随一次枝晶间距的增大而减小,而微孔体积分数随一次枝晶间距的增大而增大,表明粗大的枝晶有利于微观孔洞的形成。通过分析糊状区中包括初生相凝固阶段和共晶凝固阶段的凝固收缩,并针对有无微孔析出的情况,分别建立柱状枝晶凝固组织糊状区中的补缩液流模型。通过分析微孔存在对糊状区溶质再分配行为的影响,对经典的“局部溶质再分配方程”进行修正,使其既考虑了微观孔洞的析出,又包含了液相密度随凝固过程进行的变化。针对以柱状枝晶定向凝固的Al-4.5 wt%Cu合金,计算结果表明,随着初始氢含量的提高,凝固过程中糊状区中的微孔体积分数逐渐增大,反向补缩液流减小,固相分数和液相分数均不同程度地减小,溶质的富集程度减小,导致最终凝固组织中平均合金成分降低。针对垂直向上定向凝固的Al-Cu合金,用等效热熔法处理凝固潜热,用温度校正法处理跨凝固温度区间时产生的偏差,利用MATLAB软件结合后向隐式欧拉有限差分法模拟了合金锭的凝固过程。模拟的Al-4.5 wt%Cu和Al-6.2 wt%Cu合金垂直向上定向凝固的糊状区演化和冷却曲线与对应文献中的实验测量结果吻合度较好。根据计算得到固相等温线移动速度、液相等温线移动速度、柱状枝晶尖端处的温度梯度和局部凝固时间等凝固参数,预测了凝固组织尺寸,特别是一次枝晶间距和二次枝晶间距随距激冷面距离的变化。针对定向凝固过程中三个独特的阶段:初始过渡区、完整糊状区、末端过渡区,结合凝固过程中的微孔析出,建立对应的糊状区补缩液流模型,得到铸锭长度方向的微观孔洞体积分数和平均合金成分分布。对微观孔洞体积分数和平均合金成分的预测与实验结果一致。随着初始氢含量的提高,微孔体积分数增大,而平均合金成分降低,表明微观孔洞能有效降低铸件表面的逆偏析。对经典的RDG热裂模型进行修正,使其糊状区压降模型包含了微孔析出带来的影响。基于对前人研究的总结和热裂实验观察,提出基于微孔在枝晶间液相空间占比的热裂判据,并针对柱状枝晶凝固组织,提出一个临界的热裂敏感系数Hcr,当热裂敏感系数大于此临界值时,微孔在拉伸应变下倾向于相互连接形成局部热裂纹。同时,研究了初始氢含量和拉伸应变速率这两个因素对合金热裂敏感性的影响,发现二者均提高了Al-Cu合金的热裂倾向性,尤其对于热裂敏感温度区间的合金范围0.5%～2%Cu,影响较为显著。针对5个成分的Al-x Cu合金（x=0.5、1.3、1.5、2.0、4.0 wt%）热裂敏感性研究表明,Al-1.3 wt%Cu合金相较于其他成分的Al-Cu合金,最易发生热裂。Al-4 wt%Cu合金在目前的氢含量和应变速率下,不易发生热裂,是因为该合金的凝固末期固相枝晶网络的渗透率较高,枝晶间补缩通道通畅,补缩液流能有效抑制热裂的形成。Al-0.5 wt%Cu合金热裂倾向性低,是因为其凝固末期枝晶间的凝聚和固相桥接,半固态组织具有较高的强度,能够抵抗或传递应力和应变。表明微孔通过削弱凝固末期枝晶间的固相桥接和凝聚行为（低溶质含量合金）,或通过减少枝晶间的有效补缩液流（高溶质含量合金）来增大合金的热裂倾向性。