Al-Cu共晶合金广泛应用于航空航天、舰船等军事工业,以及汽车、建材等民用工业,是本世纪发展最快和使用量最多的金属材料之一。该合金典型的特征是在共晶温度附近从液相L中直接生成两种固相,即L→α+β。合金凝固研究的关键就在于控制其最终凝固组织,包括晶粒形态,晶粒度,微观偏析和内部相组成等。当前的相场模型,由于真实合金的自由能数据与相图数据很难精确得到,主要是针对简单溶液模型的合金。本文应用Thermo-Calc商业化软件计算Al-Cu合金在温度(791-841)K,成分(0-35)Cu(at.%)范围内的α相、θ相及液相L的自由能数据与相图数据,并且应用亚规则溶液模型建立计算范围内Al-Cu合金各相连续自由能关系式。同时,把Thermo-Calc计算自由能数据引入相场与浓度场控制方程。采用KKS模型中基于合金原始相图的体系自由能密度构造方法,和WBM模型中不区分界面点的固液相成分来减少计算量的处理,建立能对各种合金熔体液固相变微观组织演化进行模拟的KKS改进相场模型。用改进的相场模型计算了Al-Cu合金在不同状态下的等轴晶微观组织。研究表明随着过冷度的增加,等轴晶生长速度也逐渐增大,等轴晶生长形貌逐渐由不发达二次枝晶等轴晶→发达二次枝晶等轴晶→“正方形”等轴晶→粒状等轴晶转变。微观偏析变化存在一个临界温度,高于此温度的微观偏析随温度的降低偏析程度逐渐加大,而低于此温度时微观偏析迅速降低,并且随着温度的降低逐渐接近于1。在非等温等轴晶生长模拟中,二次枝晶生长没有等温生长发达,枝晶间高熔点液相增多,并且可以看出非等温模拟主枝晶干较等温模拟明显变细。此外,通过引入取向场建立适用于多晶粒形核与生长模型,计算不同条件下Al-Cu合金多晶粒的形核与长大,研究了多晶粒生长的晶粒碰撞、晶粒度和微观偏析等。通过小各向异性多晶粒形核与生长过程,显示晶粒碰撞后两晶粒之间的晶界近乎直线,最终凝固组织为近似多边形。模拟了Al-4.5Cu(at.%)合金在快速Bridgman定向凝固条件下,发生液固相变过程的界面形态和微观结构的动态演化。表明,当生长速度低于维持高速平界面的绝对稳定速度时,随着生长速度的增大,存在胞状树枝晶向细胞晶的微观结构转变,固液界面处溶质富集程度逐渐减小,溶质分配系数增大且不断向1逼近;当生长速度达到该绝对稳定速度时,初始平界面轻微失稳后将再次恢复为平界面,界面处出现溶质的完全截流,形成接近无偏析结构。在控制热流定向凝固中,随着边界热流的增加,凝固组织形貌发生很大变化,从树枝晶→树枝晶与柱状晶并存→柱状晶→细柱状晶的转变。对Nestler多相场模型进行修正,引入各相自由能数据,建立实用性比较强的多相场微观组织模型。研究共晶条件下均匀层片稳定生长和不同位置切面溶质分布。当初始层片α-Al相和θ-Al2Cu相初始层片不均匀时会出现振荡生长。在共晶相生长过程,如果初始层片间距如果不合理,将会发生共晶层片的形核与湮灭及间距再调整,在模拟其组织演化过程的同时,还详细分析了其形成机理。此外,亚共晶成分的Al-Cu合金共晶定向组织进行了模拟计算与分析。最后,对Al-Cu合金不同条件下的等轴晶生长、定向生长、多晶生长和共晶生长过程的模拟结果进行实验验证。表明,在相的生长特性及微观组织形态上,模拟结果与实验结果具有可比性。