국내 연구진이 별도 열처리 없이 3D 프린팅만으로 영하 196℃부터 영상 600℃까지 높은 강도와 연성을 유지하는 금속 합금 제조 기술을 개발했다. 극저온 저장설비와 항공우주 분야의 고성능 금속 부품 제작에 활용될 것으로 기대된다.
한국연구재단은 김형섭 포스텍(POSTECH) 교수 연구팀이 3D 프린팅 과정에서 형성되는 석출상의 네트워크 구조와 계면 특성을 활용해 극저온부터 고온까지 우수한 기계적 성능을 유지하는 합금을 설계했다고 5일 밝혔다.
극저온 저장설비와 항공우주 분야에 사용되는 구조용 금속은 폭넓은 온도 환경에서 높은 강도와 연성을 동시에 확보해야 한다. 그러나 온도에 따라 금속의 변형 방식이 달라져 성능이 저하될 수 있고, 기존 3D 프린팅 합금은 강도 향상을 위해 출력 후 별도 열처리가 필요한 경우가 많았다.
연구팀은 금속이 빠르게 녹고 굳는 3D 프린팅 공정 특성을 활용해 합금 내부에 석출상이 네트워크 형태로 형성되도록 설계했다.
레이저로 금속 분말을 녹여 층층이 쌓는 방식으로 제작한 합금을 인장시험한 결과 영하 196℃와 상온 25℃, 영상 600℃에서 모두 1기가파스칼(GPa) 이상의 항복강도와 19~26%의 균일연신율을 확보했다.
전자현미경 분석에서는 석출상과 주변 기지가 만나는 계면이 서로 다른 역할을 수행하는 것으로 확인됐다. 일부 계면은 금속의 변형을 억제해 강도를 높이고, 다른 계면은 변형을 석출상으로 전달해 기지와 석출상이 함께 변형되도록 했다.
연구팀은 이런 계면의 상호보완적 작용이 변형 저항력을 높이는 동시에 가공경화 효과를 유도해 강도와 연성을 함께 확보하는 핵심 요인이라고 설명했다. 원자 수준 계산에서도 온도 변화에 따른 변형 관련 특성의 변화가 크지 않은 것으로 나타났다.
김형섭 교수는 “3D 프린팅 과정에서 형성되는 석출상 네트워크 구조와 계면 특성을 활용한 새로운 합금 설계 및 강화 전략을 제시했다는 데 의의가 있다”며 “향후 대형 부품 제조 재현성과 반복 하중, 장시간 고온 노출에 따른 성능을 추가 검증해 실제 산업 분야에 활용할 계획”이라고 말했다.
이번 연구성과는 재료과학 분야 국제학술지 '네이처 머티리얼즈'에 지난 2일 온라인 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
