고성능 금속 부품의 3D프린팅 활용 범위 크게 넓히는 계기 될 것 기대
포스텍 연구팀이 3D 프린팅 기술을 활용해 초고강도와 높은 연성을 동시에 갖춘 차세대 철계 합금을 개발했다.
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| ▲ 연구진(왼쪽부터 포스텍 통합과정 이재흥씨, 영국 캠브리지대 권현석 박사, 포스텍 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀이 3D 프린팅 기술을 이용해 기존 3D 프린팅 기술로 만든 초고강도 철계 합금보다 강도와 연성의 조합이 뛰어난 철계 합금을 만드는 데 성공했다고 24일 밝혔다.
이번 연구는 제조·공정 분야 최상위 국제 학술지인 'International Journal of Extreme Manufacturing'에 게재됐다.
초고강도 철계 합금은 항공우주, 자동차, 방위 산업 장비처럼 극한의 힘을 견뎌야 하는 구조 부품에 널리 사용된다. 그중에서도 '마레이징 강'은 열처리를 통해 높은 강도를 내는 대표적인 초고강도 합금이다.
최근에는 금속 3D 프린팅 기술과 결합하면서 복잡한 형상의 부품 제작도 가능해졌지만 높은 강도에 비해 잘 늘어나지 못해 충격에 취약하다는 한계가 있었다.
포스텍 연구팀은 문제 해결의 실마리를 3D 프린팅 공정이 자연스럽게 만들어 내는 아주 작은 내부 구조에서 찾았다. 금속 분말이 레이저에 의해 순식간에 녹고 다시 굳는 과정에서 수백 나노미터 크기 벌집 모양 '셀 구조'가 형성되는데 이를 단순한 부산물이 아닌 소재 설계의 핵심 요소로 활용했다.
연구팀은 철, 코발트, 니켈, 몰리브덴을 조합한 새로운 마레이징 중엔트로피 합금 분말을 만들고 3D 프린팅으로 내부 기공이 거의 없는 합금을 제작했다. 이 과정에서 몰리브덴이 셀 경계에 집중된 구조가 형성됐다. 연구팀은 열처리를 통해 이 구조를 정교하게 제어했다.
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| ▲ 셀 구조를 활용해 세계 최고 수준의 강도·연성을 달성한 3D프린팅 철계 합금 개발 모식도. [포스텍 제공] |
비교적 낮은 온도에서 열처리하면 강도는 높아졌지만(항복강도 1840MPa) 셀 경계에 딱딱하고 취약한 막 형태의 조직이 생겨 잘 늘어나지 못했다. 반면, 더 높은 온도에서 열처리하자 이러한 취약한 조직은 줄어들고 대신 부드러운 성질을 가진 결정립이 최대 27.8%까지 소재 전체에 고르게 분포했다.
작고 고르게 분포한 연한 결정립은 단단한 기지 재료 속에 안정적으로 분산되어 높은 항복강도를 유지했다. 동시에 이 결정립들은 외부 힘을 받을 때 더 단단한 조직으로 바뀌며 변형을 흡수한다.
덕분에 소재는 높은 강도를 유지하면서도 쉽게 깨지지 않고 더 많이 늘어날 수 있다. 실험 결과, 연구팀이 제작한 합금은 항복강도 1484 MPa, 인장강도 1750 MPa, 균일 연신율 10%를 달성했다.
이는 지금까지 동일한 3D 프린팅 기술로 제작된 18Ni 마레이징 강, AerMet100 등 기존 초고강도 철계 합금과 비교해도 가장 뛰어난 수준의 강도와 연성 조합이다.
김형섭 교수는 "3D프린팅 과정에서 자연스럽게 형성되는 나노 크기 셀 구조를 적극 활용해 초고강도와 높은 연성을 모두 확보하는 데 성공했다"며 "이번 연구는 고성능 금속 부품의 3D프린팅 활용 범위를 크게 넓히는 계기가 될 것"이라고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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