定向凝固理论在凝固科学中占有核心及前沿的重要地位,奠定了现代凝固理论的基础,其伴随而生的定向凝固技术已成为材料制备与加工领域的重要学科方向和非常活跃的技术领域。在现有的技术条件下使用实验方法研究定向凝固过程中界面形态的变化规律还存在困难,而数值模拟方法在处理微观组织方面具有其独特的优势。特别是相场法,不需要追踪复杂界面,是国内外研究微观组织的热点方法。本文基于KKS模型,采用枝晶固-液界面迁移方向法向量为自变量表述的相场控制函数和枝晶生长方向与最优生长方向之间的夹角为自变量表述的界面自由能各向异性控制函数,耦合温度场、溶质场,发展了二元合金定向凝固的三维相场模型。以Al-Cu合金为例,利用新建立的相场模型对定向凝固过程进行数值模拟,再现了凝固过程中固-液界面形态从平界面到胞晶界面生成的演化过程,研究了固-液界面前沿的变化规律和胞晶粗化机制,分析了不同的过冷度对界面演化的影响,讨论了不同取向晶粒的竞争生长。模拟结果表明:在定向凝固过程中,胞晶会逐渐粗化,发生熔化和合并现象,但胞晶并不会完全发生熔化或者合并现象,仅发生局部熔化和合并,胞晶的粗化是熔化和合并共同作用的结果;在定向凝固过程中,过冷度越小,固-液界面形态易向平界面发展;不同取向晶粒的生长过程中存在两种不同的竞争机制,第一种多发生在二次枝晶不发达的时候,定向倾斜晶粒受周围溶质、温度的影响,倾斜角度变小,向垂直方向偏转。第二种多发生在二次枝晶发达的时候,定向倾斜枝晶受到周围晶粒二次枝晶的阻挡逐渐被淘汰。考虑到计算量的限制,三维相场模型只能进行小区域的凝固组织演化模拟,为了扩大模拟的计算区域,提出了一种新方法,分区域顺序计算技术,就是将计算区域分割成多个小区域,然后按顺序依次计算。为了对这种技术进行验证,将分区域顺序计算与普通数值计算进行对比分析。结果表明:分区域顺序计算技术可以减少单次计算的存贮量,而且区域与区域间凝固特征的传递误差对晶粒的生长影响不大,这种技术具有一定的准确性和可靠性;采用这种技术可突破计算机本身节点的极限计算量,实现更大区域的相场法数值模拟。