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더 강하고, 잘 늘어나는 新합금 설계법 개발

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[서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 더 강하면서 잘 늘어나는 합금을 향한 산업현장의 끝없는 고민에 답이 될 수 있을까. 합금계의 이단아, 고엔트로피 합금을 만드는 새로운 설계방식이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 김형섭 교수(포항공과대학교) 연구팀이 고강도·고연성·고가공성의 고엔트로피 합금을 개발했다고 1일 밝혔다.

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[서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 김형섭 포항공대 교수. [사진=한국연구재단] 2020.06.01 swiss2pac@newspim.com

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고엔트로피 합금은 주된 금속에 보조원소를 더하는 일반적 합금과 달리, 주된 원소 없이 여러 원소를 비교적 동등한 비율로 혼합하는 방식이어서 이론상 만들 수 있는 합금의 종류가 무한대다.

합금원소의 종류 및 함량을 자유자재로 조절하여 합금의 강도, 연성, 내식성, 전자기적 특성, 열적 특성 등을 발전시켜 왔다.

하지만 대부분 균일한 단상 형태(구조, 조직, 결정립 크기 및 형상이 동일한 형태)로 만들어지며, 단상을 유지하는데 코발트, 크롬 같은 고가의 원소를 첨가하는 등 가격경쟁력에서 한계가 있었다.

이에 연구팀은 고엔트로피 합금은 균일해야 한다는 고정관념을 역이용했다. 미세조직이 균질하지 않은 헤테로구조의 고엔트로피 합금이 더 단단하고 더 연할 수 있음을 알아냈기 때문이다. 헤테로구조는 합금 내부 구조로, 조직이나 결정립 크기 및 형상이 동일하지 않고 위치별로 다른 구조를 뜻한다.

실제 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 철과 구리를 기반으로 각각 분리된 두 영역을 형성시킨 후, 둘 다와 섞일 수 있는 몇몇 원소들을 첨가함으로써 비균질성(heterogeneity)을 극대화, 전체 소재의 엔트로피를 높였다.

이렇게 설계된 헤테로구조의 고엔트로피 합금은 강한 구리와 연한 철로 구성되는데, 연한 철은 소재의 연성, 강한 구리는 소재의 강도를 향상시킴으로써, 기존 스테인리스 강 보다 1.5배 더 단단한(인장강도 ~ 1 GPa) 것으로 나타났다.

또 철과 구리, 이원화된 구조로 인해 소재를 절삭하는 데 소요되는 시간 역시 기존 304 스테인리스 강보다 20배 줄었다. 절삭시간 단축은 소재의 가공비용 절감으로 이어진다.

경제적인 철과 구리에, 알루미늄이나 망간 같은 저가의 원소를 조합할 경우 기존 고엔트로피 합금보다 3~10배 높은 가격경쟁력을 확보할 수 있다는 설명이다.

연구팀은 단상에 국한된 기존 고엔트로피 합금을 다상으로 확장시킴으로써 산업현장에 적용될 수 있는 고엔트로피 합금 창출을 앞당길 것이라고 내다보고 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 금속공학 분야 국제학술지 'Acta Materialia' 및 'Scripta Materialia'온라인에 각각 4월 12일, 5월 21일 게재됐다.

swiss2pac@newspim.com

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