凝固过程中显微组织演化和气孔形成及其相互作用会对金属材料的最终力学性能产生重要影响。本论文采用实验和数值模拟方法,对二元合金凝固过程中枝晶、共晶生长及气孔形成进行研究。应用透明材料定向凝固原位观察实验平台对环己烷和丁二腈-2 wt.%丙酮(SCN-2wt.%ACE)透明材料进行实验研究,观察到了透明合金定向凝固过程中枝晶的稳态生长、竞争生长、枝晶与凝固气泡相互作用等现象,考察了温度梯度和抽拉速度对一次枝晶间距的影响。结果表明,稳态平均一次枝晶间距随着抽拉速度和温度梯度的增大而减小。观察到了SCN-2 wt.%ACE透明合金定向凝固过程中,不同位置、不同尺寸的气泡与枝晶的相互作用现象。发现枝晶包裹气泡后,通过调整一次枝晶数目实现一次枝晶间距向该凝固条件下的稳态枝晶间距转变的过程。发现枝晶间的大尺寸气泡对枝晶形貌的影响较大,而枝晶对较小尺寸气泡的最终形貌产生明显影响。此外,观察到了气泡与凝固前沿协同生长以及气泡运动等现象。采用元胞自动机-有限差分(cellular automaton-finite difference method,CA-FDM)模型对SCN-2 wt.%ACE合金定向凝固过程中的几种枝晶竞争生长模式进行了模拟研究,考察了温度梯度和冷却速度对发散枝晶生长形貌的影响。发现随着温度梯度和冷却速度的提高,三次枝晶臂更容易发展为一次枝晶主干。模拟结果与透明合金定向凝固实验的观察结果吻合良好。采用CA-FDM和Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)相耦合的CA-FDM-LBM模型,对SCN-2 wt.%ACE合金定向凝固中柱状枝晶生长和气泡演化及其相互作用进行了模拟研究。模拟结果表明,当气泡位于枝晶尖端或枝晶通道处,较大尺寸气泡对枝晶形貌有较大的影响,而气泡形貌始终受到枝晶的显著影响。对上述CA-FDM-LBM模型扩展至包含液相、枝晶、共晶和气泡的多相系统。对Al-Si合金等轴枝晶、共晶生长和凝固气泡形成进行了模拟研究,考察了初始Si成分和初始H浓度对凝固组织形貌和显微气孔的影响。模拟结果表明,凝固结束后的气孔体积百分数和平均气孔半径随着液相中初始Si成分的减小和H浓度的增大而增大。