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Al-Cu-Mn系列合金具有良好的耐热性能、可焊接和热加工性能,被广泛应用于航空航天和汽车等工业领域。但是,当工作温度超过250℃时,由于主要耐热析出相Cu Al2的快速粗化,使得高温性能出现显著的下降。随着科技及经济的发展,对耐热铝合金高温性能的要求也越来越高,耐热铝合金开发面临更大的挑战。通过合金化和微合金化结合热处理可以提高合金的高温强度。在本文中,首先开展了Cu含量对Al-x Cu-1Mn（x=2,5,7.5wt%）合金的组织、室温/高温力学性能和等温热压缩流变行为研究。首次阐述了Al-Cu-Mn合金凝固组织中初生?-Al枝晶的壳-核结构及固溶过程中不均匀析出行为:在Al-Cu-Mn合金凝固组织中发现初生?-Al枝晶具有壳-核结构,壳中的铜含量明显高于核中的铜含量,壳结构为富铜区,核结构为贫铜区,随着铜含量的增加,富铜区的量明显增加;合金经过双级固溶之后,在壳（富铜区）及附近区域中析出了大量的弥散的耐热相TMn和Al Cu3Mn2杆状颗粒,在核的内部基本没有析出物,而位于共晶凝固组织中的Cu Al2相在固溶过程中大部分溶解及该区域内极度贫Mn导致无析出带的形成。这种固溶析出行为被特征为不均匀析出。随着铜含量的增加,析出相的数量显著增加、尺寸上变得更小,而无析出带也增大。固溶过程中弥散析出耐热相TMn和Al Cu3Mn2相导致合金固溶态样品300℃下屈服强度显著增加。经过时效处理之后,在TMn和Al Cu3Mn2相上或者周围析出了球形的亚稳Cu Al2相,但在高温拉伸过程中容易溶解或者粗化,对时效处理后合金300℃屈服强度基本不产生影响。热压缩模拟研究表明:在高温下变形,三种合金的稳态流变应力都较小,适合高温形变成形;三种合金的热压缩变形激活能总体相差不大。将热压缩流变曲线特征分成四类并构建了流变特征与热变形过程中动态回复和动态再结晶间的内在联系。综合考虑合金成本、高温流变应力、高温力学性能等因素,Al-5Cu-1Mn合金被选择为进一步研究的基础合金。系统考察了Ni合金化对Al-5Cu-1Mn合金组织与力学性能的影响。在研究中,首次将耐热铝合金中对高温强化起作用的相分为凝固结晶耐热相、固溶沉淀耐热相和时效析出耐热相,通过对比铸态、T4态和T6态下合金300oC拉伸的屈服强度变化,厘清了这三类耐热相在高温强化中的贡献度。针对Ni合金化的Al-5Cu-1Mn合金,研究发现固溶沉淀耐热相和时效析出耐热相对铝合金高温强化的贡献远大于凝固结晶耐热相的,并提出了新观点:在耐热铝合金成分-组织设计中应更加重视固溶沉淀耐热相和时效析出耐热相的作用。通过300oC拉伸实验后样品断口附近组织和300oC暴露后样品组织的TEM观察,发现时效过程中析出的极其细小???相在高温拉伸过程中转变成相对粗大的??相,但在高温拉伸变形过程中仍能强烈阻碍位错的运动,这是时效析出耐热相能显著提高合金高温强度的根本原因,这与人们已有的认识明显不同。系统研究了Mg、Ni、Ni+Zr微合金化对Al-5Cu-1Mn合金组织和高温力学性能的影响。0.5%Mg微合金化导致Al-5Cu-1Mn-0.5Ni合金在凝固过程中在共晶区形成了大量的山脊形的薄片状Al Cu Mg相（六方结构,晶格常数a=0.6 nm、b=0.6nm和c=0.71nm）,同时使共晶Cu Al2相密实化,从而使铸态样品300oC屈服强度提升18MPa;Mg微合金化对合金固溶沉淀析出没有影响,但固溶过程中富Mg相重溶导致固溶态样品300oC屈服强度提升20MPa;Mg微合金化合金时效过程中并没有形成可确定的富Mg的析出物,但形成了大量的Cu-Mg团簇,它在高温拉伸过程中转变成细小的粒状Al5Cu2Mg相颗粒（正交结构,a=0.61nm,b=0.79nm,c=1.84nm）。正是由于这种组织演变导致时效态样品300oC屈服强度显著提升了46MPa。Mg微合金化使固溶处理导致的屈服强度增量和时效处理导致的屈服强度增量得到了显著的提升,产生了非常强的高温强化效应,但合金的伸长率也显著下降。同0.5wt%Ni微合金化相比,0.3wt%Ni微合金化尽管Ni含量降低了40%,但铸态、固溶态和时效态样品在300oC下的屈服强度并没有明显的降低,表现出近乎相同的微合金化高温强化效果。在Al-5.0Cu-1Mn-0.3Ni合金的基础上添加了0.15%的Zr进行微合金化,对凝固过程、固溶过程和时效过程中原有的组织演变没有明显的影响,但固溶过程中形成方块状的由Al、Cu、Ni、Zr形成的LPSO相,镶嵌于固溶沉淀耐热相TMn(Al20Cu2Mn3)和Al Cu3Mn2相的杆上。这是首次在铝合金中发现这种LPSO结构的相。无论铸态、固溶态还是时效态,无论300o下还是350oC下,Zr微合金化合金的屈服强度都高于未进行Zr微合金化合金的,0.15Zr的微合金化表现出明显的强度提升效应。在350oC下,Zr微合金化能显著提升固溶处理导致的屈服强度增量和时效处理导致的屈服强度增量,体现出在更高温度下Zr微合金化的强度提升效应。Zr微合金化显著提升了??相在更高温度下的热稳定性,从而显著提升了时效处理导致的350oC屈服强度增量。上述结果进一步证实了在耐热铝合金成分-组织设计中固溶沉淀耐热相和时效析出耐热相在高温强化中的重要作用。在上述研究的基础上,调整基础合金的化学组成为Al-6Cu-0.2Mn,进行0.3Ni+0.15Zr微合金化。固溶态组织发生了显著的变化,固溶沉淀耐热相由杆状TMn和Al Cu3Mn2相转变成球粒状的Al3Cu Zr相（具有四方结构,a=0.82nm,b=0.82nm,c=0.26nm）。同Al-5Cu-1Mn-0.3Ni-0.15Zr相比,Al-6Cu-0.2Mn-0.3Ni-0.15Zr合金铸态、固溶态和时效态样品在350oC屈服强度分别提升了24MPa、51MPa和45MPa。该合金时效态350oC抗拉强度和屈服强度分别达到145MPa和133MPa,而伸长率仍保持6.5%。是目前文献报道的Al-Cu系铸造耐热铝合金中的最高值。