Phase field modeling of rapid solidification for thin films and additive manufacturing

Julkaisun otsikon käännös: Nopean jähmettymisen faasikenttämallinnusta ohutkalvoille ja materiaalia lisäävälle valmistukselle

Tatu Pinomaa

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Useat teolliset metallien valmistusmenetelmät perustuvat nopeaan jähmettymiseen, kuten laserhitsaus, terminen ruiskutus ja materiaalia lisäävä valmistus eli 3D-tulostus. Näin syntyvien materiaalien ominaisuudet eroavat huomattavasti sellaisista materiaaleista, joita valmistetaan hitaan jähmettymisen menetelmillä kuten valamisella. Ero ominaisuuksissa johtuu nopean jähmettymisen aikaansaamista erityisistä mikrorakenteista, jotka riippuvat siitä miten nopea jähmettyminen muuttaa kasvudynamiikkaa. Esimerkkejä nopeasta jähmettymisestä ovat metastabiilien faasien valikoituminen, merkittävä rajapinnankiinnittymiskinetiikka (interface attachment kinetics) ja seosaineen loukkuuntuminen (solute trapping). Näiden ilmiöiden vaikutukset jähmettymiseen pitää ymmärtää perusteellisesti, jotta nopean jähmettymisen menetelmiä voidaan säätää hallitusti, luoda materiaaliin halutut mikrorakenteelliset piirteet, ja lopulta tuottaa toivottavat materiaaliominaisuudet. Näitä riippuvuuksia valmistusmenetelmän, mikrorakenteen ja ominaisuuksien välillä voidaan määrittää laskennallisella mallinnuksella. Viime vuosikymmeninä faasikenttämenetelmästä on tullut tärkein malli jähmettymisen simulointiin mikrorakenteen tasolla. Materiaalitiedeyhteisössä faasikenttämenetelmän suosio perustuu sen yhteydellä statistiseen fysiikkaan ja termodynamiikkaan sekä sillä, että uusia fysikaalisia ilmiöitä voidaan ottaa mukaan näihin malleihin suhteellisen helposti. Tässä väitöskirjassa esitellään laskennallisesti tehokas ja tarkka faasikenttämallinnusmenetelmä joka soveltuu nopeaan jähmettymiseen. Faasikenttämallista tehdään laskennallisesti tehokas mukautuvalla verkon tihennyksellä ja jaettuun muistiin perustuvalla rinnakkaistuksella. Kvantitatiivinen tasapainoa lähellä toimiva faasikenttämalli laajennetaan nopean jähmettymisen alueelle käyttäen menetelmää nimeltä Matched Interface Asymptotics Analysis. Näin seoksen ansautumisen kinetiikkaa voidaan säätää hallitusti vastaamaan niin sanottua Continuous Growth -mallia. Tässä väitöskirjassa kehitettyä nopean jähmettymisen faasikenttämallia sovelletaan materiaalia lisäävään valmistukseen. Ensin menetelmää sovelletaan ruostumattomaan teräkseen valmistusmentelmä-mikrorakenne -riippuvuuksien ymmärtämiseen. Lopuksi tutkitaan inokuloinnin vaikutusta monikiderakenteisiin. Tässä väitöskirjassa kehitetyn nopean jähmettymisen faasikenttämalli edistää uusien teknillisten materiaalien systemaattista suunnittelua.
Julkaisun otsikon käännösNopean jähmettymisen faasikenttämallinnusta ohutkalvoille ja materiaalia lisäävälle valmistukselle
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Ala-Nissilä, Tapio, Vastuuprofessori
  • Laukkanen, Anssi, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
  • Provatas, Nikolas, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0008-2
Sähköinen ISBN978-952-64-0009-9
TilaJulkaistu - 2020
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • nopea jähmettyminen
  • faasikenttämallinnus
  • materiaalia lisäävä valmistus

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Nopean jähmettymisen faasikenttämallinnusta ohutkalvoille ja materiaalia lisäävälle valmistukselle'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä