'철강 딜레마 깼다'…더 강하고 더 잘 늘어나는 합금 개발

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 우주선과 전투기는 극한 환경에서 버텨야 한다. 하지만 금속은 강도가 높으면 깨지기 쉽고, 잘 늘어나는 경우 강도가 떨어진다.

포스텍은 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀이 3D 프린팅 기술로 애초의 3D 프린팅 기술로 만든 초고강도 철계 합금보다 강도·연성 조합이 뛰어난 철계 합금을 만드는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

최근 금속 3D 프린팅 기술과 결합하면서 복잡한 형상의 부품 제작도 가능해졌지만, 높은 강도에 비해 잘 늘어나지 못해 충격에 취약하다는 한계가 있었다.

연구팀은 문제 해결의 실마리를 3D 프린팅 공정이 자연스럽게 만드는 아주 작은 내부 구조에서 찾았다. 금속 분말이 레이저에 의해 순식간에 녹고, 굳는 과정에서 수백 나노미터(nm) 크기 벌집 모양 '셀 구조'가 형성되는데, 연구팀은 이를 단순한 부산물이 아닌 소재 설계의 핵심 요소로 활용했다.

철·코발트·니켈·몰리브덴을 조합한 새로운 마레이징 중엔트로피 합금 분말을 만들고, 3D 프린팅으로 내부 기공이 거의 없는 합금을 제작했다. 이 과정에서 몰리브덴이 셀 경계에 집중된 구조가 형성됐고, 열처리를 통해 이 구조를 정교하게 제어됐다.

낮은 온도에서 열처리 하면 항복 강도가 1840메가파스칼(MPa·단위 면적 1㎠ 당 1.5t의 하중을 지지할 수 있는 강도)로 높아졌지만, 셀 경계에 딱딱한 막 형태의 조직으로 늘어나지 못했다. 더 높은 온도에서 열처리로 취약 조직은 크게 줄었고, 대신 부드러운 성질을 가진 결정립이 소재 전체에 고르게 분포했다.

작고 고르게 분포한 결정립은 단단한 기지 재료 속에 안정적으로 분산해 높은 항복 강도를 유지했다. 동시에 이 결정립은 외부 힘을 받을 때 더 단단한 조직으로 바뀌며 변형을 흡수한다. 덕분에 소재는 높은 강도를 유지하면서도 쉽게 깨지지 않고 더 많이 늘어날 수 있다.

실험 결과, 연구팀이 제작한 합금은 항복 강도 1484 MPa, 인장 강도 1750 MPa, 균일 연신율 10%를 달성했다. 이는 현재까지 동일한 3D 프린팅 기술로 제작된 초고강도 철계 합금보다 가장 뛰어난 수준의 강도와 연성 조합이다.

김 교수는 "3D 프린팅 과정에서 자연스럽게 형성되는 나노 크기 셀 구조를 적극 활용해 초고강도와 높은 연성을 모두 확보하는 데 성공했다"며 "이번 연구는 고성능 금속 부품의 3D 프린팅 활용 범위를 크게 넓히는 계기가 될 것"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 제조·공정 분야 최상위 국제 학술지인 '인터내셔널 저널 오브 익스트림 매뉴팩처링'에 최근 실렸다. 한국연구재단 나노 및 소재 기술 개발 사업, 선도 연구 센터 사업 지원을 받았다. 일본 J-PARC 중성자 가속기 시설 빔 라인을 활용해 실시간 인장 실험을 병행했다.


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