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포스텍 연구팀, 후열처리 없이 강도·연성 동시 확보

합금 내부 나노구조 활용…극저온 저장·항공우주 소재 기대

영하 196도의 극저온부터 영상 600도의 고온까지 높은 강도와 연성을 유지하는 금속 합금이 개발됐다. 

3차원(3D) 프린팅 과정에서 금속 내부에 형성되는 미세구조를 활용해 별도의 후열처리 없이도 단단하면서 잘 늘어나는 소재를 구현한 것이다. 

극저온 저장설비와 항공우주 분야의 구조용 금속 부품 개발에 활용될 것으로 기대된다.

한국연구재단은 김형섭 포항공과대학교(포스텍) 친환경소재대학원 교수 연구팀이 

3D 프린팅 공정에서 형성되는 석출상 네트워크 구조와 계면 특성을 활용해 넓은 온도 범위에서 강도와 연성을 유지하는 합금을 개발했다고 5일 밝혔다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'에 지난 2일 온라인 게재됐다.

금속 소재는 일반적으로 강도를 높이면 늘어나는 성질인 연성이 떨어지는 경향이 있다. 

특히 극저온이나 고온에서는 금속 내부의 변형 방식이 달라져 강도와 연성을 동시에 확보하기가 더욱 어렵다. 

기존에는 금속 내부에 미세한 석출물을 형성해 강도를 높였지만, 3D 프린팅으로 제작한 부품은 원하는 미세구조를 얻기 위해 별도의 열처리가 필요한 경우가 많았다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 3D 프린팅 과정에서 금속이 빠르게 녹고 굳는 특성에 주목했다. 

레이저로 금속 분말을 녹여 한 층씩 쌓는 과정에서 합금 내부에 석출상이 그물망처럼 연결되는 구조를 형성하도록 설계했다.

석출상은 합금 내부에서 주변 금속과 다른 조성이나 결정구조를 가진 미세한 영역이다. 

연구팀은 석출상과 이를 둘러싼 바탕 금속인 기지 사이의 경계면, 즉 계면이 금속의 강도와 연성을 동시에 높이는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다.

실제 제작한 합금의 인장시험 결과 영하 196도, 상온 25도, 영상 600도에서 모두 1기가파스칼(GPa) 이상의 항복강도와 19~26%의 균일연신율을 기록했다. 

항복강도는 금속에 영구적인 변형이 시작될 때의 강도를, 균일연신율은 특정 부위에 변형이 집중되기 전까지 재료가 고르게 늘어나는 비율을 의미한다.

전자현미경 분석에서는 석출상과 기지 사이의 계면이 서로 다른 역할을 수행하는 것으로 나타났다. 

일부 계면은 금속 내부의 변형을 방해해 강도를 높였고, 다른 계면은 변형을 석출상으로 전달해 주변 금속과 함께 늘어나도록 했다. 

단단함을 유지하면서도 쉽게 파손되지 않도록 하는 두 가지 작용이 동시에 나타난 것이다.

연구팀은 원자 수준의 계산을 통해 이러한 변형 메커니즘이 온도 변화에 크게 영향을 받지 않는다는 점도 확인했다. 

합금이 늘어날수록 변형에 대한 저항이 증가하는 가공경화 효과도 나타나 높은 연신율을 확보할 수 있었다.

이번 연구는 별도의 후열처리 없이 3D 프린팅 공정만으로 넓은 온도 범위에서 우수한 기계적 특성을 확보했다는 점에서 의미가 있다. 

다만 실제 산업현장에 적용하려면 대형 부품에서도 동일한 성능을 구현할 수 있는지, 반복적인 하중과 장시간 고온 노출에도 특성이 유지되는지 추가 검증이 필요하다.

김 교수는 "이번 연구는 3D 프린팅 과정에서 형성되는 석출상의 네트워크 구조와 계면 특성을 활용한 새로운 합금 설계 및 강화 전략을 제시했다는 데 의의가 있다"며

"극저온 저장설비와 항공우주 분야의 금속 부품에 실제 활용할 수 있도록 제조 재현성과 장기 내구성 등을 추가로 검증해야 한다"고 말했다.

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