Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Tatu Pinomaa

Väitöskirjan nimi on "Phase field modeling of rapid solidification for thin films and additive manufacturing"

Useissa teollisissa metallien valmistusmenetelmissä, esimerkiksi materiaalia lisäävässä valmistuksessa eli 3D-tulostuksessa, aine jähmettyy nopeasti. Nopeasti jähmettyneen metallin mikrorakenne – materiaalin rakenne mikroskoopin alla – poikkeaa huomattavasti mikrorakenteista joita tuotetaan perinteisin menetelmin, esimerkiksi valamalla. Nämä erot mikrorakenteellisissa piirteissä heijastuvat jähmettyneen kappaleen ominaisuuksissa, kuten kovuudessa ja sitkeydessä. Jähmettyneen kappaleen ominaisuuksiin voidaan siis vaikuttaa muuttamalla mikrorakenteen piirteitä, joita taas voidaan hallita säätämällä valmistuksenaikaisia jähmettymisolosuhteita, esimerkiksi jäähtymisnopeutta. Laskennallisten mallien avulla voidaan ennustaa nopeasti ja kustannustehokkaasti tietyissä jähmettymisolosuhteissa syntyvien mikrorakenteiden piirteitä, ja mallit auttavat myös ymmärtämään paremmin jähmettymistä hallitsevia lainalaisuuksia.

Tässä väitöskirjassa kehitettiin laskennallinen malli metallin nopealle jähmettymiselle, jolla voidaan ennustaa muodostuvien mikrorakenteiden piirteitä. Kehitetty malli kuuluu faasikenttämenetelmien (eng. phase field method) perheeseen, ja soveltuu suurteholaskentaan supertietokoneilla ja klustereilla. Aikaisemmin kehitettyä faasikenttämallia muokattiin nopean jähmettymisen olosuhteisiin, ottaen huomioon nopealle jähmettymiselle olennainen ilmiö nimeltä seosaineen loukkuuntuminen (eng. solute trapping). Kehitettyä laskennallista mallia verrattiin ensin 3D-tulostusta jäljitteleviin hallittuihin ohutkalvokokeisiin, jolloin pystyttiin arvioimaan mallin totuudenmukaisuutta ja jatkokehityskohteita. Lopuksi väitöskirjassa sovellettiin kehitettyä mallia 3D-tulostettuihin materiaaleihin, ensin ruostumattomaan teräkseen, ja sitten suosittuun titaaniseoslaatuun. Kehitetty laskennallinen malli toimii osana materiaalimallinnuskokonaisuutta jolla kiihdytetään materiaalisuunnittelua teollisuuden tarpeisiin.

Vastaväittäjänä toimii Dr. Damien Tourret, IMDEA Materials Institute, Espanja

Kustos on professori Tapio Ala-Nissilä, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, Teknillisen fysiikan laitos

Väittelijän yhteystiedot: Tatu Pinomaa, Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy, 041 5410941, [email protected]

Väitöstilaisuus järjestetään etäyhteydellä Zoomissa:

https://aalto.zoom.us/s/64127861066

Zoom pikaopas: https://www.aalto.fi/fi/palvelut/zoom-pikaopasVäitöskirja on julkisesti esillä 10 päivää ennen väitöstilaisuutta osoitteessa: https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/?lang=fi