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초고강도 고엔트로피 합금 국내 연구진 개발

기존 합금 한계를 뛰어 넘어 극한환경 구조재료 산업 활용 기대

기사입력 2017-07-13 07:51:33
초고강도 고엔트로피 합금 국내 연구진 개발
열역학 계산에 의해 설계된 합금의 열역학 평형 상태도와 실제 미세구조와 균질화 처리 및 열처리 조건에 따른 미세조직

[산업일보]
최근 우주항공 및 해양산업의 발달 뿐 아니라 심해와 극지방까지 에너지자원 개발 산업활동의 범위가 넓어짐에 따라 극한 환경에서 활용될 수 있는 구조재료를 필요로 하는 분야가 크게 증가하고 있다. 하지만, 이러한 소재 분야에서는 기존 합금계의 한계로 인해 더욱 새롭고 기존 이론으로 상상하기 어려운 새로운 재료의 개발이 요구되고 있다.

기존의 전통적인 합금은 합금 원소를 첨가할수록 금속간 화합물 (intermetallic compound)을 형성하며, 이는 소재의 기계적 성질을 취약하게 만들어 다량의 합금 원소 첨가는 제한돼 왔다. 하지만, 기존의 합금과는 다르게 한 원소에 치중되지 않고 모두가 주요 원소로 작용해 높은 혼합 엔트로피 (configuration entropy)를 가져 금속간 화합물 형성 없이 단상을 유지하는 고엔트로피 합금 (high entropy alloy, HEA) 이 학계에 보고됐다.

특히 면심 입방 구조(Face Centered Cubic)계열 고엔트로피 합금은 상온(25도)에서 극저온(영하196도)으로 온도가 낮아질수록 변형 쌍정(Deformation Twin)이 다량 발생해 강도 및 연성이 높아지며, 극저온 상용재료 대비 우수한 극저온 물성, 높은 파괴인성을 가진다고 보고됐다. 이로 인해 극한 환경에 적용할 수 있는 구조재료로 매우 각광받고 있다. 하지만, 고엔트로피 합금의 형성원리에 대한 학문적 기반이 아직 갖춰지지 않아 합금개발에 높은 진입장벽이 있었다.

극저온용 고엔트로피 합금의 우수한 특성에도 불구하고, 면심 입방 구조 계열의 특성상 소재의 영구 변형에 대한 저항을 나타내는 항복강도가 낮은 한계점이 있다. 새로운 소재가 저온, 고압환경 등의 극한 환경에 적용되기 위해서는 강도, 연신율, 파괴 인성, 내식성 등 다양한 요구 특성이 있지만, 구조재료로써 실제로 활용되기 위해서는 영구 변형 자체를 억제할 수 있는 높은 항복강도가 필히 요구된다.

국내 연구팀도 열역학 계산을 활용, 기존에 보고되지 않은 새로운 조성의 합금의 개발과 면심 입방 구조의 한계인 낮은 항복강도를 높이기 위한 미세조직 제어 연구를 진행했다.

김형섭·손석수 교수(포항공대) 연구팀이 영하 196도의 극저온에서 항복강도 1GPa에 달하는 신개념 초고강도 고엔트로피 합금을 세계 최초로 개발했다고 미래창조과학부는 밝혔다.

고엔트로피 합금(high entropy alloy, HEA)은 온도가 극저온(영하 196도)으로 낮아질수록 강도, 연성이 높아지고 파괴인성이 우수한 특성이 있지만, 항복강도가 낮아 극한환경의 구조재료로 활용되기에는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계 극복을 위해, 전산모사법의 열역학 계산을 활용해 새로운 고엔트로피 합금 조성을 선별하고, 실제 제조를 통해 우수한 기계적 물성을 지니는 고엔트로피 합금 개발에 성공했다.

또한 기존의 균질화 열처리, 열간압연, 냉간압연 및 열처리 공정을 거치는 일반적인 방식을 탈피해, 열간압연을 생략하고 바로 냉간압연 및 적정온도에서 열처리를 통해 미세조직을 제어하는 방식을 활용해 상온과 극저온에서 항복강도를 크게 향상시킬 수 있었다.

손석수 교수는 “이번 연구는 새로운 고엔트로피 합금 개발 방법의 제시와 기존의 개념과는 다른 방식의 미세조직 제어를 통해 기계적 물성을 향상시킨 연구로써, 극지방용 선박, 원유 및 액체가스 운반용기, 우주항공 및 심해산업 등 다양한 극한 환경 구조재료 산업에 무궁무진한 잠재력을 가지며 크게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
강은영 기자 qboom@kidd.co.kr

반갑습니다. 산업부 강은영 기자입니다. 산업 관련 빅데이터(Big Data), 3D프린터, 웨어러블 기기, 가상현실(VR) 분야 등과 함께, ‘산업인 24시’, ‘동영상 뉴스’, ‘동영상 인터뷰’ 를 통해 여러분을 찾아뵙겠습니다.

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