실시간 구조변화 입자 활용해 초고강도 합금 개발
금속의 강도와 연성 동시에 높이는 新 합금 설계법 제시

손석수 교수팀 연구결과 Nature Communications 게재

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

우주선, 가속기처럼 극한환경에서 사용할 수 있는 첨단 재료개발이 요구되는 가운데, 고강도 금속재료 개발 시 양립이 어려웠던 강도-연성을 동시에 향상시킬 새로운 방법을 국내연구진이 제시했다.

공과대학 신소재공학부 손석수 교수 연구팀이  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, 이로 인해 고온에서 단상 고용체를 형성할 수 있다.

일반적인 초고강도 합금 설계 시 고온의 금속을 급냉 시켜 단단한 미세조직 기지를 형성하고, 급냉으로 과포화 된 원소들을 열처리해 입자 형태로 생성하는 두 가지 강화방법을 함께 사용한다. 이 방법은 강도 향상 효과가 크지만, 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 가해지면 경계면에 응력이 집중되고 파괴로 이어지기 때문에 이를 극복할 정밀설계가 요구된다.

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

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.

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 강화방법 사용시 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”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구, 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 10일 게재됐다.
* 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)



[ 그 림 설 명 ]



(그림1) 본 연구에서 개발된 마레이징 중엔트로피 합금 미세조직 멀티스케일 분석
주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM), 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM), 그리고 원자 탐침 단층 촬영(atom probe tomography, APT)기법을 사용하여 개발 합금의 결정구조, 조성, 형상을 마이크로스케일부터 원자스케일까지 분석하였으며, 열처리에 따른 석출입자 형성거동을 모식도로 나타내었다. 결정립계에 비교적 조대한 석출입자1, 결정립내에 매우 미세한 석출입자2로 구분된다.
그림설명 및 그림제공 : 고려대학교 손석수 교수




(그림2) 석출 입자의 변형거동과 개발 합금의 기계적 성질                
위 모식도는 석출 입자의 동적 상변태가 어떻게 발현되는지 나노 스케일과 원자 단위에서 표현한 그림이다. 결정립계의 석출입자1은 다른구조로 실시간 변화하며, 결정립내의 석출입자2는 더욱 미세한 결함구조를 갖게 된다. 아래 그림은 본 연구에서 개발된 합금의 상온 응력-변형율 곡선이며, 열처리에 따른 석출입자 강화로 인해 매우 높은 강도 상승으로 인장강도 2.1GPa를 가지는 동시에 균일연신율 또한 4%로 증가한다. 이는 오른쪽 그림에서 알 수 있듯이 기존 세계 최고수준의 상용재료들과 견줄만한 수준의 강도이며 균일연신율은 더욱 우수함을 알 수 있다.
그림설명 및 그림제공: 고려대학교 손석수 교수

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)