▲ 온도에 따른 합금의 인장 특성 및 항복강도 비교. 이번에 개발된 합금(별표)이 넓은 온도범위에서도 안정적인 강도가 나타났다.

국내 연구진이 후열처리 없이 3D프린팅으로 영하 196℃부터 영상 600℃까지 높은 강도와 연성을 갖는 금속을 만드는 방법을 개발했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 포항공과대학교 김형섭 교수 연구팀이 3D 프린팅 과정에서 형성되는 석출상의 네트워크 구조와 계면 특성을 활용해 고강도와 연성을 가지는 새로운 합금 설계 및 강화 전략을 제시했다고 5일 밝혔다.

극저온 저장설비와 항공우주 분야의 구조용 금속은 다양한 온도에서 강도와 연성을 갖춰야 하는데 온도에 따라 금속의 변형 방식이 달라지면서 성능이 저하될 수 있다. 기존에는 기지와 원자 배열이 잘 맞는 나노 석출상으로 강도를 높였으나, 3D프린팅으로 원하는 석출상을 형성하려면 출력 후 별도 열처리가 필요한 경우가 많았다.

연구팀은 금속이 빠르게 녹고 굳는 3D 프린팅의 특성을 활용해 석출상이 네트워크 형태로 형성되는 합금을 설계했다. 레이저로 금속 분말을 녹여 한 층씩 쌓아 제작한 합금의 인장시험 결과 극저온인 영하 196℃, 상온 25℃, 고온인 영상 600℃에서 모두 항복강도 1기가파스칼(GPa) 이상과 19~26%의 균일연신율을 확보했다.

전자현미경으로 합금 내부를 분석한 결과, 석출상과 주변 기지가 만나는 계면은 특성에 따라 서로 다른 역할을 했다. 일부 계면은 금속의 변형을 방해해 강도를 높였고, 다른 계면은 변형을 석출상으로 전달해 석출상과 주변 기지가 함께 변형되도록 했다. 이러한 상호보완적 작용으로 높은 강도와 연성을 확보했다.

연구팀은 합금 자체의 특성과 계면의 역할이 함께 작용해 극저온부터 고온까지 강도와 연성의 균형이 유지되는 것으로 실험 결과를 해석했다. 또한 이 같은 규칙이 합금의 변형에 대한 저항력을 높이고, 금속이 늘어날수록 강도가 증가하는 가공경화 효과를 유도해 높은 연신율까지 확보할 수 있음을 밝혔다.

김형섭 교수는 “향후 극저온 저장설비와 항공우주분야의 금속 부품 소재 및 3D프린팅 공정 개발 등에 실제 활용할 수 있도록 대형 부품에서의 제조 재현성과 반복 하중 및 장시간 고온 노출에 따른 성능을 추가로 검증해야 한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구성과는 재료 과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 11월2일 온라인 게재됐다.