定向凝固单晶高温合金是先进高推比航空发动机涡轮叶片等热端部件的关键材料。定向凝固单晶的制取,涉及到选晶和单晶生长两个主要过程,前者是在众多取向杂乱的晶粒中选取出与目标取向一致的晶粒,后者则是在已选取晶粒的生长过程中,防止杂晶的产生或发展。这两个过程都涉及到杂晶与目标晶粒之间的竞争。现有理论对晶粒竞争生长的描述通常基于过冷度影响枝晶尖端位置进而影响晶粒淘汰难易程度来进行分析,仅是定性地指出,平行于热流方向生长的择优取向枝晶在与偏离热流方向生长的非择优取向枝晶竞争过程中具有优势,而并没有考虑到枝晶取向发生改变后,枝晶形貌、尖端形态及枝晶间距等重要特征参数的复杂变化对竞争过程的影响。基于此,本文采用丁二腈-丙酮类金属透明模型合金,考察了定向凝固过程中不同取向枝晶的生长行为和形貌特征,对比研究了纯扩散及强制对流条件下,择优取向枝晶与非择优取向枝晶共存时二者的竞争生长行为及相关形貌特征参数,以期为完善定向凝固枝晶竞争生长理论奠定重要的实验和理论基础。主要研究内容及相关结论如下:1.不同取向枝晶的定向凝固生长行为从内在原因和外部影响两方面分析了定向凝固过程中决定枝晶取向的关键因素,以及枝晶生长方向变化对枝晶主轴形态、一次枝晶间距、侧枝形态及二次间距等特征参数的影响。研究发现,定向凝固过程中,枝晶主轴生长方向偏离热流方向时,其尖端形态仍然保持对称,并可以用抛物线进行拟合,其对称轴平行于由晶粒内在因素决定的晶体学优先取向,而不是枝晶的实际生长方向。同时发现,相对于平行于热流方向生长的择优取向枝晶,偏离热流方向生长的非择优取向枝晶具有更大的一次间距。2.纯扩散条件下晶粒竞争生长行为探究了表征不同取向枝晶相互竞争淘汰方向及快慢的参数。基于汇聚竞争生长和发散竞争生长,研究了择优取向枝晶与非择优取向枝晶并存时,两者在定向凝固过程中的淘汰关系。发现了汇聚竞争生长过程中,存在非择优取向枝晶淘汰择优取向枝晶的反常行为,并在实验上首次确立了这种行为发生的诱因,即溶质相互作用使得晶界处择优取向枝晶尖端振荡降低并最终被淘汰。发散双晶的竞争生长过程中,晶粒的淘汰方式并非只有择优取向枝晶淘汰非择优取向枝晶一种,实际上,当择优取向枝晶的主轴生长方向与热流方向存在偏离时,择优取向枝晶的生长位置也可能被占据,进而被非择优取向枝晶淘汰。总体来说,枝晶淘汰的过程与择优取向枝晶同热流方向的偏离程度及枝晶主轴新增频率有直接的关系。3.对流对晶粒竞争生长行为的影响在定向凝固的固液界面前沿人为引入对流,研究了强制对流存在条件下,单个枝晶形态、取向的变化,及枝晶生长产生的新现象,并进一步考察了强制对流对不同取向枝晶的竞争行为的影响。研究发现,对流增强了界面的起伏和波动,会引起枝晶尖端发生分叉,显著减小择优取向枝晶一次间距,并对枝晶尖端位置分布产生较大的影响,同时,对流的存在将使非择优取向枝晶淘汰择优取向枝晶的反常淘汰行为更容易发生。特别是在较低的生长速度下,对流会使固液界面产生弯曲,导致汇聚型晶粒竞争生长过程中非择优取向枝晶被淘汰的现象发生,并增加了不同取向枝晶竞争淘汰的不确定性。