강도와 연신율 동시에 높인 합금 설계

고/중엔트로피 합금(high/medium entropy alloy)은 전통적인 합금 설계방식을 벗어나, 여러 종류의 원소가 높은 비율로 혼합돼 높은 혼합 엔트로피를 바탕으로 단상의 고용체를 형성하는 합급이다.

철(Fe)를 기반으로 한 면심입방구조 (Face centered cubic, FCC)의 중엔트로피합금은 높은 강도와 연신율, 내모마성, 내부식성 등의 우수한 물성을 갖추고 있어 다양한 산업분야에서 주목을 받고 있으며, 차세대 고성능 소재로 각광받고 있다.

하지만, 철계 중엔트로피 합금은 낮은 항복강도를 특징으로 가지고 있으며, 이를 극복하는 가장 효과적인 방법으로 석출강화를 이용한다. 그러나 기지 조직과 다른 구조의 석출상은 정합성 차이로 인해 연신율이 줄어드는 한계점이 있다. 또 적절한 석출상을 얻기 위해서 복잡하고 섬세한 열처리 과정이 요구됐다.

철계 중엔트로피 합금의 우수한 기계적 물성을 얻기 위해서는 연신율 감소 없이 항복강도 증가시킬 수 있는 새로운 강화기구의 필요성이 제기돼 왔다.

최근 창과 방패처럼 양립하기 어렵다고 알려진 고강도·고연신 합금 설계법이 고안돼 차세대 고성능 소재 개발에 청신호가 켜졌다.

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.

일반적인 합금은 주된 금속에 보조원소를 더하지만, 중엔트로피 합금은 주된 원소 없이 여러 원소를 비교적 동등한 비율로 혼합해 높은 혼합 엔트로피를 보인다. 합금원소의 종류와 함량을 자유롭게 조절해 합금의 강도, 연성, 내식성, 전자기적 특성 등을 발전시킬 수 있다.

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.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature communications)에 7월 9일 게재됐다.