难混溶合金是工业中重要的结构功能材料,在自润滑、超导、电接触、电子封装用焊球等材料方面具有广泛的应用前景。该类合金凝固时经由液相分离极易形成严重偏析甚至分层的组织,对此目前尚缺乏清晰的认识和有效的控制手段。针对难混溶合金偏析结构形成的问题,本文选用Al-Bi难混溶合金,研究了气动悬浮条件下该合金的液相分离机制及偏析演变过程;并借助同步辐射成像技术获得了Al-10wt.%Bi难混溶合金凝固过程中的偏析演变全景图,分析了第二相液滴的动态行为及气泡诱导偏析行为,并探讨了它们的动态行为机制;借助同步辐射小角散射技术获得了液相分离初期第二相液滴的形核及其结构信息。在以上研究的基础上,探讨了Al-Bi-Sn核壳型及月食型宏观偏析结构形成机制。得到了以下主要结果:1.在气动悬浮条件下,合金熔体发生旋转会使得第二相液滴做离心运动。第二相液滴在不同运动模式下的粗化程度可以用方程来表示,其中和分别为初始时刻及t时刻时第二相液滴的半径,N0为最初的液滴数量,Y为碰撞体积,t为时间。Marangoni运动、Stokes运动以及离心运动随液滴尺寸变化分阶段控制难混溶合金的液相分离过程,在凝固时间允许的情况下,不同成分的Al-Bi难混溶合金都可以形成Al/Bi核壳结构。2.借助同步辐射成像技术直接观察到了表面偏析及Soret效应发生在液相分离之前。Soret效应使Bi原子大规模下沉。Marangoni运动先于Stokes效应在液相分离过程中起主导作用。在高冷速条件下,Bi液滴的尺寸分布可以用Gaussian方程来描述。而在低冷速条件下的液相分离初期,Bi液滴以Ostwald熟化方式进行粗化,其尺寸分布符合Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)扩散控制的分布;随着液相分离过程的进行,Bi液滴的体积分数变大,其尺寸分布不再符合LSW扩散控制的分布。并且,在低冷速条件下,Bi液滴数量随时间的变化符合logistic种群生长模型。3.同步辐射小角散射实验结果表明,Al-10 wt.%Bi难混溶合金的液相分离过程是以富Bi液滴的形核长大方式开始而不是以调幅分解机制开始的。并且液相分离过程具有分形特征,产生的富Bi液滴具有分形结构,其分形维数在2.39~2.56范围内。4.在Al-10 wt.%Bi合金熔体冷却过程中,采用同步辐射成像技术捕捉到了气泡及其诱导偏析动态行为。热力学计算表明,基体熔体中的Bi原子和液相分离过程产生的Bi液滴都会偏析到Al-H界面上以降低系统自由能。但在本论文较低冷速条件下(0.7 K/s),没有观察到Bi液滴向氢气泡表面运动,这是由于没有产生显著的Marangoni运动造成的。偏聚在气泡表面的Bi原子并没有改变单个气泡随机的生长模式,但会改变其尺寸分布行为,使其既不符合Gaussian分布,也不符合LSW扩散控制的分布。5.在本论文实验条件下的同步辐射成像结果表明,在Al-10 wt.%Bi合金凝固后,样品上部的Bi溶质来源于正偏析和第二相液滴的Marangoni运动。6.表面偏析、Soret效应、热Marangoni运动、溶质Marangoni运动以及Stokes运动在Al/Bi-Sn核壳组织形成过程中起主要作用。如果合金在富Bi小液滴的尺寸小于临界半径(r_g)时凝固,那么会形成Al/Bi-Sn同心型核壳组织;反之,则会形成月食结构。