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铝锂合金具有密度低、比强度、比刚度高,耐疲劳和耐腐蚀等优点,用其替代传统铝合金构件,可以实现结构减重10～20%,刚度提升10～20%;在航空航天、国防等领域具有广阔的应用前景。以往有关铝锂合金的研究主要集中于变形铝锂合金,但是,变形铝锂合金难以成型复杂结构件。一些大型复杂部件只能采用铸造方法成型,而国内外尚没有公开的铸造铝锂合金牌号或标准。虽然已有铸造Al-Li-Cu系合金的研究报道,但现有合金的强度偏低,塑性较差,无法满足实际应用的需求。而且,合金元素与热处理工艺对铸造铝锂合金的组织演变和强韧化机制的研究极少;缺乏有效提高铸造铝锂合金的强韧性和组织稳定性的实施方法。因此,亟需开展高性能铸造铝锂合金的深入研究,探明微合金元素对其微观组织、力学性能和组织稳定性的影响机制,开发新型热处理工艺,并探明合金化设计和热处理协同调控机理。从而开发出高性能铸造铝锂合金材料,以拓展其在大型复杂结构件上的应用。本文基于铸造铝锂合金研究现状,以综合性能较好的Al-2Li-2Cu-0.2Zr合金为基,研究了多种微合金元素(Mg、Ag、Zn、Mn、Y、Sc)对其微观组织演变和强韧性的影响机制;系统研究了微量Mg和Sc元素对合金物相组成、时效竞争析出行为、组织稳定性以及力学性能的影响。主要的研究成果如下:探究了微量Mg/Ag/Zn/Mn/Y元素对Al-2Li-2Cu-0.2Zr合金组织演变和强韧性的影响规律。研究表明:Mg元素的添加对合金强度的提升最为显著;Ag和Zn元素的作用效果相当,可以促进T1相的析出;Mn元素的添加会形成A120Cu2Mn3弥散相,提高合金的塑性,但是会降低合金的强度;Y元素的添加会显著降低θ和T1相的析出动力及时效硬化速率,合金的强度水平最低。探明了热处理过程中铸造Al-2Li-2Cu系合金的组织演变规律,构建了复合析出相A13(Li,Zr)和δ/θ的异质形核模型及T1/δ交互作用微观模型。δ相在Al3Zr或θ相表面形核时,体系的界面能由(?)显著降低至(?),(其中(?));晶格畸变能也随之降低,从而降低的相变阻力,促进δ相的析出。T1相和δ相容易发生交互作用,在表面张力平衡(?)的作用下,δ相被T1相切过或部分溶解,形成球缺状δ相。探索了Mg含量对Al-2Li-2Cu-0.2Zr合金时效竞争析出行为及室温力学性能的影响规律,获得了优化的Mg元素添加量,探明了S相的析出及粗化行为;构建了时效过程中δ-PFZs的宽化模型。Al-2Li-2Cu-xMg-0.2Zr合金中优化的Mg含量为0.5%,0.5Mg合金175℃时效32h后的综合力学性能最佳(YS=366MPa,UTS=443MPa,EL=4.5%)。Mg元素的添加抑制了θ相的形成,引入了S相;Mg含量的持续增加会抑制T1相的析出,使得S相成为主要的沉淀相;且时效中S相倾向于在特定晶面组上联合析出,合并生长,最终形成平行于(110)α晶面,沿[100]α方向生长的粗大片状S相,对合金的强度和塑性产生不利作用。时效过程中δ-PFZs的宽度h与时效时间t之间满足(?)关系;添加0.5%Mg可以显著降低δ-PFZs的宽化速率常数Kp,有效抑制晶界无沉淀带δ-PFZs的宽化,并在δ-PFZs附近引入S相,从而有效改善合金的塑性。研究了Sc元素含量对Al-2Li-2Cu-0.5Mg-0.2Zr合金物相组成、微观组织和力学性能的影响规律,确定了不同热处理状态下Sc元素的存在形式,获得了优化的Sc元素添加量,阐明了微量Sc元素对合金时效析出行为和强韧性的影响机制。Al-2Li-2Cu-0.5Mg-ySc-0.2Zr合金中优化的Sc含量为0.2%,175℃下时效32h后0.2Sc合金的综合力学性能最佳(YS=408MPa,UTS=480MPa,EL=6.0%)。铸态、固溶淬火态及时效态组织中均没有发现W相(A18-xCu4 xSc)的存在。随着Sc含量的增加,合金铸态组织显著细化,粗大块状初生A13(Sc,Zr)相的含量也随之显著增加。时效中δ相优先在A13(Sc,Zr)弥散相上形核,形成高密度的核-双壳层结构A13(Li,Sc,Zr)复合相;添加微量Sc元素还可以显著细化S相,提高S相的弥散度,促进S和T1相的析出;同时Sc的添加还可对δ-PFZs的宽化产生抑制作用,进一步降低δ-PFZs的宽化速率,提高合金的塑性。探究了微量Mg和Sc元素对Al-2Li-2Cu-0.2Zr合金组织稳定性的影响规律,确定了不同沉淀相的热稳定性差异;深入研究了δ相的粗化行为,构建了δ相的粗化模型,获得了其粗化所需的激活能。研究发现,T1相和A13(Li,M)复合粒子的热稳定性相对最佳,S相次之,δ相的热稳定性最差。时效温度的增加会显著加快δ相析出、粗化及溶解速率。时效过程中δ相的平均粒径(?)与时效时间t之间满足(?)关系。单独添加微量的Mg或Sc元素都可以显著降低δ的粗化速率常数,Mg和Sc复合添加时δ相的粗化速率常数最小,组织稳定性最高。建立了δ相粗化速率常数与时效温度之间的关系:(?),确定了铸造Al-2Li-2Cu-0.5Mg-0.2Sc合金中δ相粗化激活能Q约为98.7kJ/mol。在上述理论研究的基础上,成功开发出一种新型轻质高强韧铸造铝锂合金,主体成分为Al-2Li-2Cu-0.5Mg-0.2Sc-0.2Zr,优化了其热处理工艺(460℃×32h 520℃×24h)。合金力学性能为:屈服强度408MPa,抗拉强度480MPa,延伸率6.0%;弹性模量E为79GPa;密度约为2.57g/cm3。