钛（Ti）具有出色的生物相容性和耐腐蚀性,但它的中等强度和硬度阻碍了其进一步应用,并且Ti还具有对热处理不敏感以及很高的反应活性等特征,使得以传统制造方法加工Ti部件具有很大的局限性。因此,利用增材制造技术-选择性激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）,来制造具有超细晶粒且具有复杂结构的Ti部件是一种很有前途的加工工艺,不但可以提高其机械强度还可以保持其他独特的金属性能。然而,SLM工艺中存在复杂的热物理现象,尤其是熔池中复杂的相变传热和金属流体流动,它们对熔池中的温度梯度和冷却速率产生了很大影响,最终会强烈影响晶相的粒度大小和生长方向,以及熔池道的表面形貌。因此,需要做大量的工作来研究SLM期间的热行为。出于对钛合金优异性能的需求,研究者们通过复合途径合成了二硼化钛（TiB2）超高温耐火陶瓷材料。在所有Ti-B系化合物中,TiB2是最稳定的,它是具有六边形结构的最坚硬的间隙硼化物。在硬度、机械强度、耐磨性和耐腐蚀性方面具有优异的性能,但由于可制造性差,所以其工业应用仍然有限。采用纯元素Ti和B粉末选择性激光熔化原位合成TiB2是增材制造科学的最新发展,为此提出了选择性激光合金化（Selective Laser Alloying,SLA）的概念。可以预期,通过实现TiB2的3D自由成形,可以极大的拓宽其工业应用。不过Ti-B的原位反应过程伴随着剧烈的反应放热,一方面这部分反应放热可以促进粉末熔化降低激光能量输入,同时这部分能量也使得SLA过程的热场变得极为复杂。如果化学反应放热不能被控制和完全量化,则会产生一些不稳定和不希望的结果,比如粉末床系统内的输入能量过多容易造成粉末过度熔化,从而引发各种制造缺陷,但如果输入能量不足,又容易造成粉末熔化不充分。因此,为了产生稳定和可控的结果,必须全面了解与SLA过程相关的热模型。除此外,在SLA过程中还涉及到多组分扩散以及熔池内复杂的热质输运问题。以上问题成为了制约TiB2陶瓷材料3D成型的巨大挑战,因此需要通过实验分析和建立数值模型来解决上述问题。综上所述,本文结合工程领域重大需求和国内外研究现状,针对单组分纯Ti粉末的SLM过程和双元素Ti和B粉末SLA过程中的科学问题,提出了三个方面的研究内容:首先,建立了基于离散元法（Discrete Element Method,DEM）的随机粉末床模型,以研究单元素纯Ti粉末在选择性激光熔化（SLM）期间的热行为。通过实现CFD-DEM的耦合,研究了激光和粉末相互作用下熔池的特性,以及激光功率对熔池的热行为、流体动力学和表面形貌演化的影响。该模型得到了实验验证,并最终得到了在SLM多道熔化情况下的最高温度、温度变化率以及熔池寿命等与热场相关的规律。此外,还研究了不同激光功率下熔池道表面形貌变化的规律。之后,提出了采用纯元素Ti和B粉末原位合成超高温耐火陶瓷材料二硼化钛（TiB2）的科学方法,并提出了选择性激光合金化（SLA）的概念,希望通过实现TiB2的3D自由成形来拓宽其工业应用。在本次工作中,为了研究在SLA过程中粉末熔化和不同元素间原位反应的耦合效应,使用商业软件COMSOL Multiphysics 5.4进行了数值模拟。当前的工作是首次成功实现了针对SLA工艺中熔化和原位反应的数值研究,提供了有关原位反应的细节。通过考虑在计算域内TiB2的生成及其浓度分布,讨论了自由固-液界面演化、组分扩散、化学反应速率和蒸发潜热的影响。最后,着重建立了数学分析模型用来研究SLA过程中的两个能量来源。通过考虑Ti、B和TiB2的浓度分布,讨论了化学反应速率和激光功率对自由固-液界面的演化和组分传输的影响。模型中对SLA过程中消耗的激光能量和由化学反应释放的能量进行了理论推导。结果表明,从Ti和B的原位反应中释放的热量是一项重要的能源来源,不但可以减少激光能量输入,提高SLA工艺的制造效率,而且还可以维持原位反应的自持续进行。此外,还发现化学反应速率对Ti、B和TiB2的浓度分布具有显著影响,还监测了熔池体积、熔池寿命和化学反应放热的能量强度。