铍铝合金是一种高熔点差异的双相复合材料,结合了铍和铝的优点,具有密度低、比强度高、比刚度高、热稳定性好等诸多优良特性,在核工业、航空、航天等领域具有重要的应用。铍铝合金通常采用粉末冶金和熔模铸造方法进行制备,粉末冶金工艺流程复杂、质量控制困难;熔模铸造获得的铍铝合金晶粒粗大、容易产生缩孔、疏松、偏析等缺陷。目前仅有美国、俄罗斯掌握铍铝合金的制备及加工技术,并开发了多种牌号的商业铍铝合金。铍具有较强毒性,在制备过程中需要非常严格的防护条件,导致我国铍铝合金的研发起步较晚,研究基础薄弱。激光增材制造技术采用可控堆积直接成形,具有无模具、低成本、短周期的优势;非平衡快速凝固可避免宏观偏析并获得组织细小的金属零部件,尤其适用于复杂零件小批量定制化制备,已经成功应用于钛合金、镍基合金和铝合金等材料零部件的研制和生产。增材制造技术有可能是解决铍铝合金从原始粉末到毛坯部件研制有效手段,而铍铝合金激光增材制造方面的研究未见任何报道,本论文首次采用激光增材制造技术拟在短期内实现系列铍铝合金的快速研发。作为双相复合材料,增强相和基体相的本征强度和界面结合强度决定了铍铝合金整体的强度。由于铍和铝的化学性质非常活泼,在粉末制备以及增材制造过程中容易氧化,氧化物的存在也会对铍铝合金的性能产生影响。同时添加的合金元素在高温熔化过程中由于挥发速率不同,可能会导致合金成分的偏差。铍铝合金的凝固区间大,增材制造过程中容易出现裂纹等缺陷。因此本论文主要从本征强度、界面结合强度、元素的挥发和氧化行为以及增材制造开裂倾向性对铍铝合金成分进行设计,并利用激光增材制造快速制备的优势对成分设计理论进行实验验证。此外,增材制造过程是一个逐点逐层堆积过程,不同位置的温度梯度和冷却速度的差别使得获得的凝固组织在不同区域存在差异。因此,本论文重点考察关键工艺参数对铍铝合金熔池尺寸和缺陷的影响规律,揭示温度梯度、冷却速度和铍铝合金凝固组织之间的内在关系,研究铍铝合金在激光增材制造过程中的组织演化规律和力学行为。本论文获得的主要结果如下:(1)提出了适宜于激光增材制造的铍铝合金成分设计方法基于复合材料中修正的剪切滞后模型,预测了铍铝合金的屈服强度。得出提高铝基体的强度和细化铍颗粒的晶粒尺寸可以显著提高铍铝合金的屈服强度的结论。从固液界面润湿性角度考虑了合金元素和氧化物对铍铝的界面结合强度的影响。结果表明添加Mg、Si、Ag等元素可以改善铝液与铍之间的润湿性,提高铍铝合金的界面结合强度;减少铍铝合金的氧化有利于提高铍铝合金的界面结合强度。从蒸气压和热力学的角度分别讨论了合金元素在激光增材制造过程中选择性挥发和氧化行为。结果表明提高激光扫描速度有利于减小合金元素的挥发损失;在成分设计中需要增加挥发最严重Mg元素的含量;铍铝合金在增材制造过程中氧化不可避免。提出了铍铝合金的凝固区间大小决定了其增材制造开裂倾向性,在成分设计中优先选择可以降低铍铝合金的凝固区间的合金化元素。(2)研究了激光重熔对铍铝合金缺陷、组织和性能的影响建立了关键工艺参数和熔池尺寸、缺陷之间的关系。结果表明较低的激光能量输入可以避免气孔和裂纹的形成,较大的熔池尺寸不利于消除重熔层内残留的疏松孔洞。基于熔池内温度梯度和凝固速度分析,结合三维重构技术揭示了铍铝合金激光重熔组织由三维连续网络状铝相和相互贯通的柱状铍相组成;从熔池底部到顶部铍相尺寸逐渐变小;在熔池中上部柱状铍相生长方向发生转向导致横截面呈现等轴晶形貌。激光重熔可以显著细化铍铝合金表面铍相和低熔点第二相尺寸,进而提高铍铝合金的表面硬度(提高约3倍)和耐腐蚀性能。(3)研究了激光增材制造铍铝合金典型组织特征和力学性能搭建了有毒有害粉末的激光增材制造系统;采用等离子旋转电极雾化法首次获得了球形铍铝预合金粉末;利用低成本的混合粉末制备了典型成分Be-38wt.%Al合金的薄壁试样,内部无明显气孔或裂纹缺陷。揭示了影响激光增材制造铍铝合金组织大小的关键因素,即温度梯度和扫描速度。组织大小和扫描速度存在以下关系:λ1=133 × V-0.6,提高扫描速度可以显著细化组织。分析了沉积态组织和拉伸性能之间的关系。结果表明外延生长的柱状晶组织导致拉伸性能呈现各向异性,即纵向试样具有较高的抗拉强度和屈服强度,但延伸率小于横向试样。(4)研究了合金元素对激光增材制造铍铝合金组织和性能影响考察了 AlSi1OMg对铍铝合金的组织和性能的影响。Mg元素主要固溶在多晶铝相中起到固溶和细晶强化效果;Si元素在铝相中形成块状硅颗粒起到沉淀强化效果。Mg和Si的添加大幅提高了铍铝合金的力学性能。共晶成分含量Si的添加增大了铍铝合金的凝固区间,增加了铍铝合金的开裂倾向性,导致Be-AlSilOMg合金中沿晶热裂纹的出现。基于成分设计理论和实验结果优化了铍铝合金成分(Be-37.4Al-0.2Si-0.4Mg),获得了无缺陷的样品,其屈服强度和抗拉强度分别为175MPa和225MPa,优于国际上相同铍含量的铸造铍铝合金铸态产品。