강도와 연신율 동시에 개선한 합금 설계 성공

[산업일보]
철(Fe)을 기반으로 한 중엔트로피합금은 높은 강도와 연신율, 내부식성 등 우수한 물성으로 각광받고 있다. 하지만 낮은 항복강도를 극복하기 위해 석출강화를 이용하는데, 석출상은 기지 조직과 구조가 달라 정합성(coherency) 차이로 연신율이 줄어드는 한계가 있다. 또한 석출상을 얻기 위해 복잡하고 섬세한 열처리가 필요하다.

이에 한국연구재단(이사장 이광복)은 포항공과대학교 김형섭, 허윤욱 교수와 美 노스웨스턴대학교 파라나즈 하프트랑(Farahnaz Haftlang) 박사 공동연구팀이 강도와 연신율을 동시에 높인 중엔트로피합금을 설계해 구조재료의 오랜 난제를 해결했다고 밝혔다.

연구팀은 기존의 석출강화 대신 스피노달 강화를 활용해 고강도·고연신 중엔트로피 합금 설계 가능성을 제시했다. 스피노달 분해는 고용체가 특정 온도와 조성 범위에서 열역학적으로 불안정한 영역에 있을 때 자발적으로 두 개의 다른 상으로 분리되는 현상이다.

연구팀은 열역학 평형 상태도 계산 및 실험을 통해 석출상 뿐만 아니라 스피노달 분해가 발생하는 조성과 온도 조건을 예측했다.

또한 실험을 통해 석출상을 만드는데 필요했던 복잡한 과정 없이, 저온 열처리로 스피노달 분해된 나노 수준의 조성 분리가 기지 전체에 균일하게 나타남을 확인했다. 스피노달 분해가 발생한 시편은 그렇지 않은 시편에 비해 187% 향상된 항복강도(1.1 GPa)와 동시에 높은 연성(28.5%)을 갖는 중엔트로피 합금을 얻었다.

김형섭 교수는 “이번 연구는 조성이 복잡한 합금에서 스피노달 구조의 기계적 물성을 확인한데 의의가 있다”라며 “고강도·고연신 합금은 항공우주, 자동차, 에너지, 전자 산업 등 다양한 분야에 적용돼 제품의 경량화, 내구성 향상 등에 기여할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

김 교수는 “기존에 항복 강도를 향상시키는 석출 강화는 복잡하고 섬세한 조성 및 열처리 제어를 통해 석출상을 얻는 반면, 스피노달 강화는 간단한 열처리만으로도 얻을 수 있다”며, “또한, 기존 합금계에서도 원소 간의 혼합 엔탈피와 상태도만을 고려해, 약간의 조성 원소를 추가함으로써 스피노달 분해를 유도할 수 있어 적용 가능성이 크다”고 언급했다.