铝锂合金具有密度低、比强度和比刚度高、耐蚀性和抗疲劳性能好等优点,用其取代常规铝合金能使构件质量减轻10%²0%,刚度提高15%²0%,是一种理想的航空航天结构材料。然而目前铝锂合金的研究开发几乎完全局限于变形铝锂合金。铸造不仅是一种能制备形状复杂铸件的成型技术,而且铸造获得的各向同性组织能极大降低合金的各向异性能。此外,铸造铝锂合金中Li含量允许的范围宽,构件减重效果更加明显。铸造成形技术独特的优越性与性能优良的铝锂合金相结合,将使铝锂合金铸件具有广阔的发展前景。因此,开展铸造铝锂合金的研究具有重要意义,可有望加快推进铸造铝锂合金铸件在航空航天领域的应用进程。近年来,以Al-3Li-0.2Zr为基的铸造铝锂合金因其低密度（约为2.26g/cm³）和高刚度（约为85GPa）备受关注,但Al-3Li-0.2Zr三元合金基本依靠Al₃Li颗粒强化,导致其强韧性水平较低,不能满足航空航天的要求。合金化是改善铸造铝锂合金综合力学性能的一种有效途径,特别是Cu的添加能引入θ′-Al₂Cu和T₁-Al₂CuLi沉淀相,从而达到改善铸造铝锂合金性能的目的。然而,现有报道的铸造铝锂铜合金力学性能较低,其优势较传统铸造铝合金不明显,难以大规模应用。因此,为满足航空航天领域对轻质、高强度和高刚度铸件的需求,一种力学性能优良的铸造铝锂合金还有待研究开发。本文以Al-3Li-0.2Zr合金为研究对象,系统研究了合金元素Cu、Mn和Sc对Al-3Li-xCu-yMn-0.2Zr-（0.2Sc）合金微观组织和力学性能的影响规律,提出了采用双级固溶处理以增大合金过饱和固溶度的热处理方法,同时揭示了时效过程中Al-3Li-xCu-yMn-0.2Zr-（0.2Sc）合金析出相的组织演变规律,探明了Cu、Mn及Sc元素对合金强韧化的作用机制,确定了Cu和Mn元素的最优添加值,并最终开发出了一种力学性能优异的铸造Al-3Li-2Cu-0.3Mn-0.2Zr-0.2Sc合金;此外还阐明了热暴露对铸造Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金的影响,针对含Sc合金提出了增加Al₃Sc粒子析出密度的“预时效”处理方法。通过研究Al-3Li-xCu-0.2Zr合金的铸态微观组织、时效组织演变规律及室温力学性能,阐明了Al-3Li-xCu-0.2Zr合金的强韧化机制。铸态下Cu元素主要在晶界处偏聚形成非平衡Al₂Cu和Al₂CuLi相等,同时Cu元素的偏聚在凝固过程中会引起成分过冷,起到细化晶粒的作用。当Cu含量超过2wt%后,合金固溶处理后晶界处有大量未溶物残留,严重降低合金力学性能。时效过程中,Cu的添加能促进Al-3Li-xCu-0.2Zr合金时效析出θ′-Al₂Cu和T₁-Al₂CuLi沉淀相,显著提高合金时效强化效果。同时,θ′和T₁相塑性变形过程中不会被位错切割,具有分散共面滑移的作用,对合金塑性有利。综合强度与塑性考虑,Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金具有较为优越的力学性能。对比研究了不同时效工艺（单级/双级时效）条件下Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金的微观组织和力学性能演变规律。随着单级时效温度的增加,溶质原子Cu和Li在铝基体中的扩散速率加快,从而促进强化相δ′,θ′和T₁的析出和长大,造成合金强度上升而塑性下降。与单级时效相比,双级时效低温保温阶段能增大合金相变驱动力,促进θ′和T₁相的均匀形核,提高基体中θ′和T₁相的析出密度,从而能在不降低合金强度的情况下改善塑性。此外,揭示了Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金热暴露后其微观组织和力学性能变化的机制。TEM结果表明,Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金70℃热暴露后基体中δ′粒子体积分数的增加是造成合金强度上升而塑性降低的主要原因;而100℃热暴露后该合金性能变化的主要原因则是与大量细小θ′相的弥散析出相关。在Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金基础上研究了合金元素Mn含量对其微观组织和室温力学性能的影响,优化出了Mn的添加值为0.3wt%,阐明了Mn在铸造铝锂铜合金中的作用机制。Mn的添加不但可与铝在高温反应生成初生α-Al细化合金铸态晶粒,还能与有害杂质元素Fe反应,降低Fe对合金塑性的危害。当Mn含量超过0.5wt%,合金固溶处理后基体中有大量Al₂₀Cu₂Mn₃弥散颗粒析出,继续增加Mn含量,Al₂₀Cu₂Mn₃粒子数量增加且晶界处有初生Al₂₀Cu₂Mn₃相生成,降低α-Al过饱和固溶体中的Cu原子浓度,从而减少合金时效过程中沉淀相θ′和T₁的析出密度,导致合金时效态强度随Mn含量的增加而降低。塑性变形过程中Al₂₀Cu₂Mn₃弥散粒子一方面自身能引起应力集中对塑性有害,另一方面能分散由δ′相引起的共面滑移而有利于塑性的改善。因此,Mn元素对Al-3Li-2Cu-0.2Zr合金塑性的影响是由上述两个因素共同决定,从而导致合金在不同时效阶段其塑性随Mn元素的不同而变化各异。采用在Al-3Li-2Cu-0.3Mn-0.2Zr合金中添加微量合金元素Sc及对其在固溶前进行“预时效”处理的方式,实现了合金塑性的大幅度提高。研究结果表明,添加0.2wt%Sc能显著细化合金,铸态晶粒尺寸由不加Sc的130μm减小到加Sc的50μm,减小了位错的有效滑移长度,起到细化晶粒提高合金延伸率的作用。此外,Sc的添加不仅能在合金固溶时析出共格Al₃Sc粒子,而且还能促进Zr的析出,大幅度提高合金基体中Al₃Sc、Al₃Zr及Al₃（Zr,Sc）粒子的数量,有利于合金时效过程中Al₃Li相在Al₃M（M=Zr,Sc,Zr/Sc）处形核和长大以形成Al₃（M,Li）复合粒子。这些Al₃（M,Li）复合粒子塑性变形时不会被位错切割,能分散共面滑移从而达到改善合金塑性的目的。同时,固溶前的“预时效”处理对共格Al₃Sc粒子的析出具有促进作用,因而能进一步提高合金塑性。综合以上研究开发出了一种轻质和力学性能优良的铸造铝锂合金。通过在Al-3Li-0.2Zr基础合金中添加、优化合金元素Cu、Mn及微量Sc,成功开发出一种化学成分为Al-3Li-2Cu-0.3Mn-0.2Zr-0.2Sc的铸造铝锂合金,经过500℃-32h+560℃-24h固溶处理和175℃时效32h后,其力学性能,即屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为326MPa、438MPa和5.5%,在航空航天领域具有广阔的应用前景。