▲ (왼쪽부터) 신소재공학부 손석수 교수(교신저자), 정현 석박통합과정생(공동 제1저자)

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 신소재공학부 손석수 교수 연구팀이 고강도 금속재료 개발 시 양립이 어려웠던 강도-연성을 동시 향상할 새로운 방법을 제시해 눈길을 끌고 있다. 최근 우주선, 가속기처럼 극한 환경에서 사용할 수 있는 첨단 재료개발이 요구되는 가운데, 손 교수 연구팀은 기존의 강도-연성 상반관계를 극복할 신개념 초고강도 마레이징 중엔트로피 합금 개발 기술을 확보했다.

 * 마레이징(maraging) : 급냉한 금속을 저온에서 일정 시간 유지시켜 미세 입자를 석출해 강도를 높이는 방법으로 강도와 우수한 인성을 갖춰 자동차, 항공, 우주, 국방, 공구재료 등 다양한 고부가가치 분야에서 활용된다.

 * 고/중엔트로피 합금: 한 가지 종류의 원소가 바탕이 되는 전통적인 합금 설계 방식을 벗어나 여러 종류의 원소가 모두 주 원소로 작용하여 높은 혼합 엔트로피를 가지며, 이에 따라 고온에서 단상 고용체를 형성할 수 있다.

일반적인 초고강도 합금 설계 시 고온의 금속을 급랭시켜 단단한 미세조직 기지를 형성하고, 급냉으로 과포화된 원소들을 열처리해 입자 형태로 생성하는 두 가지 강화 방법을 함께 사용한다. 이 방법은 강도 향상 효과가 크나, 연성이 떨어져 하중을 견디는 저항력이 낮아지는 한계가 있다.

 * 기지 : 재료의 전체 혹은 대부분을 구성하고 있는 상

마레이징 합금은 두 강화기구를 모두 사용하는 대표적인 합금으로 매우 단단하고 질기지만, 기지와 입자 경계면이 취약해 외부에서 큰 힘이 가해질 시 경계면에 응력이 집중되고 파괴로 이어져 이를 극복할 정밀설계가 요구된다.

이에 손 교수 연구팀은 전통적 마레이징 설계 방식을 탈피해, 변형과정에서 실시간으로 구조변화를 일으키는 금속간화합물을 석출 입자*로 활용하여 초고강도와 연성을 동시에 확보한 중엔트로피 합금 개발에 성공했다.

* 석출입자 : 과포화된 고용체로부터 석출한 제2의 상

손 교수 연구팀은 제일원리계산과 열역학 시뮬레이션을 통해 단단한 금속간화합물 석출 입자가 상변태할 수 있도록 설계함으로써 경계부에 집중된 응력을 해소하여 균열을 방지하고 높은 강화 효과를 유지했다. 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.

손 교수 연구팀은 실험을 통해 상온에서 새로운 합금기술의 기계적 물성을 확인한 만큼 후속연구를 통해 초고온과 초극저온 등 극한 환경에서의 특성과 기계적 특성 외의 부식 특성, 전기‧자기 특성 등 기능적인 부분을 다양하게 개선한 합금을 개발할 계획이라 밝혔다.

손 교수는 “이번 연구는 초고강도 구조재료 개발에서 석출 입자를 활용한 강화 방법 사용 시 강도 향상이 반드시 큰 연성감소를 대가로 할 필요가 없다는 시사점을 제시한 데 의의가 있다”라며, “극한 환경에서 극심한 하중과 충격을 견뎌야 하는 항공, 우주, 국방 등 첨단 분야에서 특수한 목적에 맞게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구, 선도연구센터사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 10일 자로 게재됐다.     /공과대학신문

* 논문명 : Doubled strength and ductility via maraging effect and dynamic precipitate transformation in ultrastrong medium-entropy alloy

* 키워드 : Medium-entropy alloy (중엔트로피 합금), Intermetallic compounds (금속간화합물), Ageing(시효), Tensile property (인장 물성), Dynamic precipitate transformation (석출입자 동적 상변태)

* DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-023-35863-z

* 저자 : 손석수 교수(교신저자/고려대학교), 정현 (공동 제1저자/고려대학교), 최원석 박사 (공동 제1저자/한국과학기술원,SK이노베이션)