深过冷合金熔体的快速枝晶生长与亚稳相分离是空间材料科学领域的重要课题,对其进行系统研究不仅可以促进凝固理论的发展,还为实现新型亚稳合金材料的工业应用提供科学依据。本文分别采用电磁悬浮、熔体浸浮、自由落体及急冷凝固技术,对液态二元Fe-Cu和三元Fe-Cu-Ge以及Fe-Cu-Sn包晶合金的快速枝晶生长与亚稳相分离进行了系统的实验研究,主要取得以下几方面成果:1.电磁悬浮条件下二元Fe-Cu包晶合金的快速枝晶生长机制采用落滴式量热计法研究了深过冷液态Fe-Cu包晶合金的比热。在实验宽广的温度范围内,液态Fe-Cu包晶合金的焓变随温度的升高而呈线性增大,其比热值均接近于定值。同时,利用分子动力学方法对Fe-Cu包晶合金的比热值进行了理论预测。此外,在实验测定比热的基础上,计算了Fe-Cu包晶合金的过剩比热、焓变、熵变、Gibbs自由能差、热扩散系数和热传导率。采用电磁悬浮熔凝技术研究了Fe-Cu包晶合金初生相的枝晶生长动力学过程。深过冷亚包晶Fe_93.5Cu_6.5、包晶Fe_92.8Cu_7.2和过包晶Fe_88.5Cu_11.5合金在不同过冷度下的相组成均为?Fe和（Cu）固溶体,三种合金所获得的最大过冷度分别为194 K（0.11 T_L）、401 K（0.23T_L）和468 K（0.27 T_L）。随着过冷度的增大,各合金初生相的枝晶生长速度均以幂函数形式增长并在最大过冷度时分别达4、69和68 m·s^-1。理论计算表明,对于亚包晶Fe_93.5Cu_6.5合金,初生δFe相枝晶生长主要受热扩散控制。而对于包晶Fe_92.8Cu_7.2合金和过包晶Fe_88.5Cu_11.5合金,随着过冷度的逐步增大,初生δFe和?Fe枝晶生长过程由溶质扩散控制到热扩散控制并最终受界面动力学效应控制。当过冷度足够大时,三种合金的快速凝固过程均接近于无偏析凝固。2.无容器条件下三元Fe-Cu-Ge包晶合金的枝晶生长研究在电磁悬浮条件下研究了深过冷三元Fe_88.2Cu_6.8Ge₅和Fe_84.1Cu_10.9Ge₅包晶合金的枝晶生长特征。XRD和SEM分析表明,两种合金在不同过冷度下均由?Fe枝晶和（Cu）基底两相组成。两种合金初生相的枝晶生长速度均随着过冷度的增加而呈幂函数变化,并分别在282和255 K时达到1.7和1.3 m·s^-1,其微观组织均表现出显著的晶粒细化效应。采用自由落体技术研究了三元深过冷Fe-Cu-Ge包晶合金液滴的凝固组织演化规律。实验表明,三元Fe_47.5Cu_47.5Ge₅和Fe₄₅Cu₄₅Ge₁₀合金液滴均在快速凝固过程中发生了亚稳液相分离。随着液滴直径的减小,两种合金液滴的凝固组织分别由三层壳核和两层壳核组织转变为枝晶组织,凝固组织均由?Fe和（Cu）相组成,初生相均为?Fe相。三元Fe_42.5Cu_42.5Ge₁₅合金液滴在凝固过程中没有发生亚稳液相分离,其凝固组织以枝晶为特征,其相组成为Fe_0.84Ge_0.16、Fe₃Ge和（Cu）相,其中Fe_0.84Ge_0.16枝晶为初生相。实验结果表明,Ge含量的增加能够逐渐抑制亚稳液相分离。3.深过冷液态三元Fe-Cu-Sn包晶合金的亚稳相分离与组织演化规律在熔体浸浮条件下,三元Fe_62.5Cu_27.5Sn₁₀包晶合金发生亚稳液相分离和形成宏观偏析组织的临界过冷度分别为65和142 K。实验测定了深过冷条件下初生?Fe相的枝晶生长速度,发现当过冷度大于142 K,枝晶生长速度呈现急剧增大趋势。当达到实验最大过冷度360 K（0.21 T_L）时,枝晶生长速度达到最大值30.4 m·s^-1。在自由落体条件下,随着液滴直径的减小,三元Fe_62.5Cu_27.5Sn₁₀合金液滴发生了“壳核组织→弥散组织→枝晶组织”的演化。计算表明,温度梯度和浓度梯度引起的Marangoni迁移是合金液滴壳核组织形成的动力学因素。在急冷凝固条件下,冷却速率对三元Fe_62.5Cu_27.5Sn₁₀合金条带的凝固组织细化具有重要影响。采用熔体浸浮技术实现了对三元Fe_27.5Cu_62.5Sn₁₀包晶合金凝固路径的主动调控。出现包晶凝固、形成均匀弥散相分离组织和呈现宏观偏析形貌的过冷度范围分别为7¹5K、15¹07 K和107²09 K（0.17 T_L）。分析发现,合金熔体的液相分离时间对组织的演化过程具有较大影响。在自由落体条件下,当液滴直径小于805μm时,三元Fe_27.5Cu_62.5Sn₁₀合金液滴由包晶凝固形成的枝晶结构转变为亚稳液相分离形成的均匀弥散组织。格子玻尔兹曼模拟结果表明,温度梯度对富Fe颗粒尺寸的高斯分布具有重要影响。在急冷凝固实验中,三元Fe_27.5Cu_62.5Sn₁₀合金条带退火前后的微观组织均随着辊速的增大而发生显著细化。4.深过冷条件下三元Fe-Cu-Sn包晶合金的枝晶生长机理与室温组织磁性三元等原子比Fe_33.3Cu_33.3Sn_33.3包晶合金在不同凝固条件下均呈现包晶凝固特征,其室温组织均由初生?Fe相枝晶以及Cu₃Sn和Cu₆Sn₅二个包晶相组成。在熔体浸浮条件下,合金初生?Fe相枝晶生长速度随过冷度呈幂函数变化,在251 K过冷度处达到最大值33.1 mm·s^-1,合金的凝固组织由粗大枝晶转变为碎断枝晶和等轴晶。在自由落体条件下,随着表面冷却速率的增大,三元Fe_33.3Cu_33.3Sn_33.3合金液滴呈现出由粗大枝晶向碎断枝晶为主的组织演化过程。三元Fe_37.5Cu_37.5Sn₂₅包晶合金在不同凝固条件下的相组成均为?Fe、Cu₃Sn和Cu₆Sn₅等三相。在熔体浸浮条件下,合金熔体在过冷度大于177 K时发生亚稳液相分离。在实验测定的过冷度8¹77 K范围内,初生?Fe相枝晶生长速度的最大值为41.5 mm·s^-1。在自由落体实验中,随着液滴直径的减小,三元Fe_37.5Cu_37.5Sn₂₅合金液滴发生由枝晶组织向相分离结构的形貌演变。实验发现,两种合金条带均在急冷凝固条件下呈现软磁特性。理论分析表明,表面冷却速率的提高促使?Fe相平均晶粒尺寸显著细化,进而影响两种合金条带的矫顽力。