우주선에 이용하는 고강도 금속, 강도와 연성 둘 다 잡았다

[아이뉴스24 정종오 기자] 우주선, 가속기처럼 극한환경에서 이용할 수 있는 첨단 재료개발이 요구되는 가운데 고강도 금속재료를 개발할 때 양립이 어려웠던 강도와 연성을 동시에 향상시킬 새로운 방법을 국내연구팀이 제시했다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 손석수 교수(고려대) 연구팀이 기존의 강도-연성 상반관계를 극복할 신개념 초고강도 마레이징 중엔트로피 합금 개발 기술을 확보했다고 9일 발표했다.

일반적 초고강도 합금을 설계할 때 고온의 금속을 급냉시켜 단단한 미세조직 기지(재료의 전체 혹은 대부분을 구성하고 있는 상)를 형성하고, 급냉으로 과포화 된 원소들을 열처리해 입자 형태로 생성하는 두 가지 강화방법을 함께 이용한다.

이 방법은 강도 향상 효과가 큰데 연성이 떨어져 하중을 견디는 저항력이 낮아지는 한계가 있다.

마레이징 합금은 두 강화기구를 모두 이용하는 대표적 합금으로 매우 단단하고 질긴데 기지와 입자 경계면이 취약해 외부에서 큰 힘이 가해지면 경계면에 응력이 집중되고 파괴로 이어지기 때문에 이를 극복할 정밀설계가 요구된다.

연구팀은 전통적 마레이징 설계 방식을 탈피해 변형과정에서 실시간으로 구조변화를 일으키는 금속간화합물을 석출 입자(과포화된 고용체로부터 석출한 제2의 상 )로 활용해 초고강도와 연성을 동시에 확보한 중엔트로피 합금 개발에 성공했다.

실시간 구조가 변화하는 금속화합물을 이용한 중엔트로피 금속재료는 초고강도 강판 수준인 인장강도(2.1 GPa)와 상용재료의 한계연성(2%)의 2배에 달하는 균일연성(4%)을 확보했다.

연구팀은 실험을 통해 상온에서 새로운 합금기술의 기계적 물성을 확인한 만큼 후속연구를 통해 초고온과 초극저온 등 극한 환경에서의 특성과 기계적 특성 외의 부식특성, 전기·자기 특성 등 기능적인 부분을 다양하게 개선한 합금을 개발할 계획이다.

손석수 교수는 “이번 연구는 초고강도 구조재료 개발에서 석출 입자를 활용한 강화방법을 이용했을 때 강도 향상이 반드시 큰 연성감소를 대가로 할 필요가 없다는 시사점을 제시한 데 의의가 있다”라며 “극한환경에서 극심한 하중과 충격을 견뎌야 하는 항공, 우주, 국방 등 첨단 분야에서 특수한 목적에 맞게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 성과(논문명: Doubled strength and ductility via maraging effect and dynamic precipitate transformation in ultrastrong medium-entropy alloy)는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 10일자에 실렸다.