金属凝固过程中形成的微观组织决定着铸件的性能和使用寿命,控制微观组织的形成显得尤其重要。用相场法进行合金凝固时微观组织形成过程的模拟,对优化工艺参数、提高铸件质量,不仅具有重要的理论学术意义,而且也具有重要的工程应用价值。本文在Karma模型的基础上,建立了耦合温度场的纯物质枝晶生长的相场模型;进一步耦合溶质场,建立了相场、溶质场、温度场三场耦合的二元合金定向凝固的相场模型。选用基于均匀网格的显式有限差分对控制方程进行离散,应用C语言实现相关程序的编制,对过冷熔体中纯物质枝晶生长过程和定向凝固界面形态的演化过程进行了模拟。采用Tecplot软件实现模拟结果的可视化。在过冷熔体纯物质枝晶生长过程中,相场和温度场的耦合系数λ、热扩散系数D_T、界面原子运动的时间参数τ₀对纯物质过冷熔体中的枝晶生长形貌有重要影响。研究结果表明:随着耦合系数的增加,晶粒形态由紧实枝晶→光滑枝晶→海藻状形态;随着热扩散系数的增加,晶粒形态由光滑枝晶→紧实枝晶;随着界面原子运动时间变量的增加,晶粒形貌由复杂枝晶→光滑枝晶→紧实枝晶→球状形态。还发现,纯物质枝晶生长过程中的界面动力学系数取值由相场和温度场的耦合系数λ、热扩散系数D_T、界面厚度W₀、界面原子运动时间变量τ₀等参数综合决定;随着界面动力学系数β₀的增加,枝晶尖端生长速度V_tip减小,枝晶尖端半径R_tip增大。利用相场法可以准确的对二元合金定向凝固过程中的界面形态、晶粒生长进行模拟,成功再现胞晶间竞争生长过程。在二元合金定向凝固过程中,各向异性系数γ界面能σ、界面厚度δ对定向凝固过程中固液界面的形态及微观组织演化有重要影响,竞争淘汰是胞状生长过程中的主要生长方式。研究结果表明:在各向同性的情况下,晶体生长为浅胞状枝晶生长;当引入各向异性后,随着各向异性系数的增大,晶体生长由浅胞状枝晶向深胞状枝晶生长转变;随着界面能和界面厚度的增加,胞晶间的凹坑变浅,晶体生长由深胞状枝晶向浅胞状枝晶转变。在无扰动时,界面处产生的自扰动不能被很快的放大,表面张力的反扰动特性使扰动最终消失,固液界面为平界面;引入界面扰动,使得固液界面的稳定性受到破坏,界面形态由初始平面转变为胞晶;随着扰动强度的增加,晶粒的生长速度加快,胞状晶粒明显细化,界面前沿的溶质扩散层变薄,微观偏析程度减小,溶质截留现象明显。为了验证模拟结果的正确性,对Al-4.5%cu二元合金的定向凝固组织进行实验研究,将定向凝固过程中的横纵界面与模拟结果进行比较分析。结果表明,模拟结果与实验结果一致,从而验证了相场模型和模拟结果的正确性。