本文主要利用基于有限元和CAFE模型的ProCAST模拟软件,针对单晶高温合金的双晶竞争生长过程开展数值模拟和实验研究。在三维空间内研究了定向凝固过程中不同取向晶粒在汇聚,发散,异面三种取向关系下的竞争生长行为,重新讨论了晶粒的竞争生长机制。在三维空间内晶粒的竞争生长行为是受温度场和溶质场的综合控制的,双晶在汇聚、发散、异面取向关系下的竞争生长现象都可以通过温度场和溶质场的综合作用来解释。汇聚关系下,晶粒的竞争生长的结果取决于温度场和溶质场的综合作用。凝固界面前沿择优枝晶尖端和非择优枝晶尖端的高度差h,也影响温度场和溶质场交互作用的相对强弱。在一定的凝固条件下,临界值hk对应非择优枝晶粒取向θK。当θB<θK时,溶质场交互作用较强,非择优晶粒占据优势;当θB>θK时,温度场作用较强,择优取向晶粒占据优势。发散关系下,择优晶粒占据优势,晶界平直的向非择优晶粒推进。受温度场和溶质场的综合作用,晶界倾角θGB随非择优晶粒取向θB的变化大致可以分为三个阶段,线性增加阶段、过渡阶段和平稳阶段。具体来说,在线性增加阶段,其曲线斜率基本一致;而在过渡阶段,其曲线斜率逐渐减小;而在平稳阶段,晶界倾角曲线基本保持平直。异面关系下,择优晶粒占据优势,晶界推进的方式受温度场和溶质场的综合影响。当非择优晶粒取向θB较小时,择优取向枝晶优先通过二次枝晶长入背离非择优枝晶方向的模壳一侧的空隙,空隙处的二次枝晶可以产生平行于一次枝晶的三次枝晶。之后,晶界同时沿x和y方向推进,最终非择优晶粒B被淘汰。非择优晶粒B的枝晶取向θB足够大时,凝固界面前沿择优晶粒A的二次枝晶可以顺利的长入非择优晶粒B,择优取向枝晶不需要通过优先长入异面空隙竞争淘汰晶粒B,在竞争生长过程中,双晶界面只沿y方向向非择优晶粒推进。