영하 196도에서 영상 600도까지 견디는 금속 나온다 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 후열처리 없이 3D 프린팅으로 영하 196℃부터 영상 600℃까지 높은 강도와 연성을 갖는 금속을 만드는 방법이 개발됐다. 합금 내부에 형성된 네트워크 형태의 석출상(합금 내부에서 주변 기지와 다른 조성이나 구조로 형성된 상)과 기지(바탕 금속 조직) 사이의 계면을 활용한 결과다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 포항공대 김형섭 교수 연구팀이 후열처리 없이 극저온부터 고온까지 높은 강도와 연성을 유지하는 3D 프린팅용 합금을 설계했다고 5일 발표했다.

극저온 저장설비와 항공우주 분야의 구조용 금속은 다양한 온도에서 강도와 연성을 갖춰야 한다. 온도에 따라 금속의 변형 방식이 달라지면서 성능이 떨어질 수 있다. 기존에는 기지와 원자 배열이 잘 맞는 나노 석출상으로 강도를 높였는데 3D 프린팅으로 원하는 석출상을 형성하려면 출력 후 별도 열처리가 필요한 경우가 많았다.

연구팀은 금속이 빠르게 녹고 굳는 3D 프린팅의 특성을 활용해 석출상이 네트워크 형태로 형성되는 합금을 설계했다. 레이저로 금속 분말을 녹여 한 층씩 쌓아 제작한 합금의 인장시험 결과 극저온인 영하 196℃, 상온 25℃, 고온인 영상 600℃에서 모두 항복강도(영구적 변형이 시작될 때의 강도) 1기가파스칼(GPa) 이상과 19~26%의 균일연신율(변형이 한곳에 집중되기 전까지 재료가 고르게 늘어난 비율) 확보했다.

전자현미경으로 합금 내부를 분석한 결과 석출상과 주변 기지가 만나는 계면은 특성에 따라 서로 다른 역할을 했다. 일부 계면은 금속의 변형을 방해해 강도를 높였다. 다른 계면은 변형을 석출상으로 전달해 석출상과 주변 기지가 함께 변형되도록 했다. 이러한 상호보완적 작용으로 높은 강도와 연성을 확보했다.

원자 수준의 계산을 통해 온도에 따른 합금 내부의 변형 방식에 영향을 주는 특성의 변화가 작다는 것을 확인했다. 연구팀은 합금 자체의 특성과 계면의 역할이 함께 작용해 극저온부터 고온까지 강도와 연성의 균형이 유지되는 것으로 실험 결과를 해석했다.

이 같은 규칙이 합금의 변형에 대한 저항력을 높이고 금속이 늘어날수록 강도가 증가하는 가공경화 효과를 유도해 높은 연신율까지 확보할 수 있음을 알아냈다.

김형섭 교수는 “이번 연구는 3D 프린팅 과정에서 형성되는 석출상의 네트워크 구조와 계면 특성을 활용한 새로운 합금 설계, 강화 전략을 제시한데 의의가 있다”며 “앞으로 극저온 저장설비와 항공우주 분야의 금속 부품 소재와 적층제조 공정 개발 등에 실제 활용할 수 있도록 대형 부품에서의 제조 재현성과 반복 하중, 장시간 고온 노출에 따른 성능을 추가로 검증할 것”이라고 말했다.

연구 성과(논문명: Process-intrinsic cellular network for sustained strength–ductility across temperatures in a 3D-printed multi-principal-element alloy)는 재료 과학과 공학 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 11월 2일 온라인으로 실렸다.