Al-Li-Cu系合金具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度等诸多优点,在空天飞行器制造等领域具有广泛的应用潜力。目前,国内外有关该合金的研究大多是基于低Li含量的变形铝锂合金,而对于高Li含量铸造合金的研究资料相对较少。两者合金成分、组织差异巨大,传统热处理工艺也很难继承,因此对铸造Al-Li-Cu系合金及其热处理工艺优化开展研究很有必要。本文综合采用各种材料研究手段,包括光学金相、X射线衍射、扫描电子显微分析、透射电子显微分析、热分析、硬度和拉伸性能测试,研究了铸造Al-3Li-1.5Cu-0.2Zr合金从铸造态到不同固溶时效态的组织演变规律、力学性能及断裂模式的变化,并优化了该合金的热处理工艺。研究结果表明:铸造Al-3Li-1.5Cu-0.2Zr合金的铸造态组织主要由α-Al、θ-Al₂Cu和δ′-Al₃Li三种相组成。α-Al形貌为细小的等轴晶,晶粒平均尺寸约为60μm,θ-Al₂Cu和δ′-Al₃Li组成的化合物呈网状分布在晶界上。合金在540℃、550℃、560℃下固溶处理后,网状晶间化合物溶解显著,平均晶粒尺寸增长到70μm左右,合金在570℃发生过烧。较高的温度和较长保温时间,可以促进共晶化合物的溶解,但也会导致晶粒的长大,残留相体积比例在560℃×50h固溶后最低为1.4%。XRD分析显示θ-Al₂Cu相在固溶后大部分消融,此时主要的相组成为α-Al和δ′-Al₃Li相。单级固溶工艺下,合金塑性随温度升高逐渐提升,最佳单级固溶工艺为560℃×40h,175℃×8h时效后获得力学性能:UTS为359MPa,YS为248MPa,EL为3.5%。双级固溶工艺,可以进一步优化合金的力学性能,尤其是延伸率。最佳双级固溶工艺为520℃×10h+560℃×30h,175℃×8h时效后获得力学性能:UTS为381MPa,YS为245MPa,EL为5.9%。合金时效后主要的析出强化相为δ’、T₁-Al₂CuLi、θ′相和Al₃Li/Al₃Zr复合粒子,晶界无析出带（PFZ）的变化也与时效工艺参数密切相关。合金在200℃下时效析出迅速,仅保温8h合金组织中的δ’相就严重长大,析出了粗大的T₁和θ′相;合金在175℃时效,8h前主要涉及δ’相的长大,在32h析出细密T₁相和少许θ′相,在峰时效（256h）和过时效（512h）的样品中析出了高密度的粗大T₁相和片状θ′相,同时较长的时效时间导致了PFZ的宽化;在150℃时效试样中,64h时仍只有δ’相的长大,未观察到T₁和θ′相。最佳单级时效工艺为175℃×32h,获得力学性能:UTS为398MPa,YS为303MPa,延伸率为3.1%。在双级时效的合金中获得更加均匀的δ’相,且T₁相更加细小,从而使合金强度略有提升的同时塑性获得大幅改善。Al-3Li-1.5Cu-0.2Zr合金最佳热处理工艺为,520℃×10h+560℃×30h进行双级固溶,并在175℃×16h+125℃×16h进行双级时效,获得的最优力学性能:UTS为400MPa,YS为298MPa,EL为3.9%。经优化工艺处理后的合金在100℃热暴露后热稳定性良好,在100℃下暴露达100h后仍保持3.45%的延伸率,暴露200小时后合金硬度仅增长了19.7HV。