随着航空航天、兵器、船舶工业的不断发展,对材料的综合使用性能提出了越来越高的要求。铸造Al-Cu合金和新型Al-Cu-Li合金作为高强铝合金的典型代表,具有密度小、比强度高、加工性能与焊接性能优良、性价比高等一系列特点,已被广泛用作军用、民用飞机、航天器的结构材料。然而,Al-Cu合金易产生铸造缺陷以及成品率低等问题限制了其进一步的发展。Al-Cu-Li合金中多种沉淀相的析出行为仍需进一步认识和研究。因此,改善Al-Cu合金的铸造性能,进一步提高合金的强韧性,是扩大Al-Cu合金应用亟需解决的问题。深入的理解Al-Cu-Li合金内部微观结构与性能的关系,全面、深刻认识沉淀相的析出过程,对于设计、开发下一代铝锂合金具有重要的理论和现实意义。本文选取我国自主研发的高强韧铸造Al-Cu合金和新型高强Al-Cu-Li合金为研究对象,通过分析Al-Cu合金的原始组织特征和元素偏析行为,系统研究了RE变质对Al-Cu合金微观组织与性能的影响规律,揭示了RE在Al-Cu合金中的多层次交互作用;通过受控扩散凝固（Controlled Diffusion Solidification,简称CDS,是将两种成分、温度各异的合金熔体混合,最终凝固成同一成分目标合金的过程）,制备了具有非枝晶组织的Al-Cu合金,研究了受控扩散凝固对Al-Cu合金凝固组织及缺陷的影响规律和细化作用机理;最后采用透射电镜成像技术和原子探针层析技术结合的方法深入研究了Al-Cu-Li合金时效过程的组织演化规律,揭示了时效沉淀相的综合强化机理,分析了沉淀强化相T₁、σ、S相的析出行为以及微合金化元素对其析出过程的影响机理。本文的主要研究结果如下:（1）研究发现,Al-Cu合金原始铸态组织主要由α-Al基体、Al₂Cu共晶相、初生Al₃Zr和Al₃Ti相构成。时效态组织主要由θ′强化相、Al₂₀Cu₂Mn₃和Al₃Zr弥散相构成。合金在凝固过程易发生元素偏析,Cu、Mn易在枝晶界、晶界处偏析,Ti、V易在晶内偏析。元素偏析程度由强到弱的顺序为Cu、Mn、V、Ti、Zr。提出了RE变质Al-Cu合金的强韧化机制:添加适量RE能够缩短Al-Cu合金凝固区间,减少铸造缺陷,细化晶粒及共晶组织,促进强化相θ′相的析出,从而提高合金的强韧性,强韧化程度与RE的多层次交互作用密切相关。RE在晶粒内部可与Ti、V发生反应形成Al₂₀（Ti,V）RE相,RE在枝晶界和晶界处可与Cu发生反应形成Al₈Cu₄RE相。过量添加RE会导致稀土化合物数量密度增大,变形过程中割裂基体,降低力学性能。RE的最佳添加量为0.3 wt.%。（2）研究表明,受控扩散凝固可以显著改善Al-Cu合金的凝固组织,如降低收缩程度、减少缩孔缺陷、降低热裂倾向、减少Cu、Ti元素的偏析。普通重力铸造合金由于发生溶质再分配组织以树枝晶为主,随浇注温度降低枝晶得到一定程度细化,而采用受控扩散凝固技术可以使合金在凝固过程中得到大量球状非枝晶组织。揭示了受控扩散凝固对Al-Cu合金的细化机制:合金液1与合金液2混合时形成的大量形核质点在对流作用下均匀分布于熔体内部并保存下来,从而使凝固组织中初生相得到细化和均匀分布。受控扩散凝固顺利进行必须满足以下条件:（i）混合前两种预制合金液的温度必须保持在靠近各自液相线附近;（ii）合金液1与合金液2的吉布斯自由能加权之和必须小于目标合金液相线温度的吉布斯自由能;（iii）纯固相和液相的固液界面能必须小于合金态的固液界面能。（3）研究发现,Al-Cu-Li合金组织中分布有大量弥散相颗粒Al₂₀Cu₂Mn₃和Al₃Zr,两者共同作用使固溶淬火态合金仍保留有沿轧向延展拉长的薄饼状的非再结晶晶粒组织。Al-Cu-Li合金在165℃时效的组织演化过程可以归纳为:SSS（过饱和固溶体）→GP zones+δ′→GP zones+δ′+T₁+GPB zones→δ′+T₁+θ′+S+σ→T₁+S+σ。时效组织演化过程涉及多个析出相的析出行为,包括δ′、θ′、S、T₁和σ相。通过APT分析发现Li、Mg、Zn原子在β′相上具有明显的偏聚行为,Mg、Zn原子在T₁相上具有明显的偏聚行为。合金在时效早期硬度曲线出现再回归现象;在峰值时效态力学性能得到显著提升,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为570MPa、615MPa和7.5%;断裂方式以沿晶分层断裂和穿晶断裂方式为主。揭示了Al-Cu-Li合金的强韧化机制:弥散相Al₂₀Cu₂Mn₃和Al₃Zr,与时效过程中此消彼长的T₁、θ′、δ′、S和σ多种沉淀相共同作用对合金起到综合强化。（4）揭示了Al-Cu-Li合金时效过程中T₁相的析出行为:（i）在早期时效阶段（²h）,T₁相优先在位错处的弯曲和缠结处形核,位错处形核是T₁相早期非均匀形核的主要方式,T₁相在位错处的逐渐析出现象与硬度值变化趋势相吻合;（ii）T₁相易在共格与半共格的Al₃Zr弥散相界面非均匀形核,Mg-Zn原子团簇的偏聚行为会促进T₁相在Al₃Zr界面的形核,T₁相能够在Al₂₀Cu₂Mn₃界面非均匀形核,且存在变体的择优取向选择;（iii）T₁相易于在亚晶界上密集形核,T₁相的4个变体中与晶界夹角越小的变体越容易优先析出;（vi）T351态基体仍处于高过饱和态,T₁相会在GP区上形核,以消耗GP区和δ′相的方式继续形核和生长。通过APT进一步分析发现,T₁相中约含50.6%Al、22.7%Cu、18.8%Li、5.5%Mg和2.4%Zn（at.%,原子分数）,Mg、Zn原子在T₁相与Al界面上富集。在固溶淬火态,Mg-Cu和Mg-Zn原子对发生偏聚,原子团簇已经形成。微合金化元素Mg、Zn的共同加入促进了T₁相的大量非均匀形核,加速了时效进程。时效早期Mg-Zn、Mg-Cu原子团簇的快速形成是影响T₁相非均匀形核的重要因素。（5）研究发现,在Al-Cu-Li合金16h峰值时效态,σ相存在两种变体,其取向关系表示为:σ_Ⅰ相:<100>_σ//<100>_Al,{100}_σ//{100}_Al;σ_Ⅱ相:<001>_σ//<110>_Al,{100}_σ//{100}_Al。发现了一种有别于传统GPB区结构的、在{110}_Al面有序排列的溶质原子富集区,在本文中记为{110}_Al有序簇。σ_Ⅰ相倾向于依附在Mg、Cu、Li、Zn富集的T₁相上形核,σ_Ⅱ相倾向于通过Mg、Cu、Li和空位富集的{110}_Al有序簇形核生长。S相可以在{110}_Al有序簇处形核,本文中S相的析出序列可以归纳为:SSS→Clusters→GPB zones→S→GPB zones+{110}_All ordered clusters→S 具有Mg-Cu-Li-空位团簇富集的{110}_Al有序簇可以作为S相和σ_Ⅱ相直接或间接的形核优选位置,团簇内部Mg、Cu原子排列的有序化程度与成分偏聚的差异程度可能会决定其是否向S相或σ_Ⅱ相进行转变。