2017-01-24
오하이오 주립대학(Ohio State University)의 연구진은 제트 엔진용 초합금의 고온 특성을 개선할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 연구결과는 강력하고 친환경적인 터빈 엔진의 개발에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
“나노 쌍정(nano twin)”은 합금 속에서 성장하는 미세한 결함인데, 열과 압력을 가하면 변형이 되어서 합금을 약화시키는 역할을 한다. 이번 연구진은 합금의 조성을 조정해서 나노 쌍정의 형성을 막을 수 있었는데, 이것은 합금이 더 강하게 만들었다.
이 기술은 상변환 강화(phase transformation strengthening)라고 불리고, 나노 쌍정의 형성을 없애서 합금 변형을 절반까지 감소시킨다. 강하고 내열성이 우수한 합금은 터빈 엔진이 효율적이고 청결하게 작동할 수 있게 한다. 엔진이 초고온에서 작동한다면, 이것의 연료 효율을 높일 수 있고, 배출량을 적게 할 수 있다. 이번 연구진은 초합금 속의 특정 원소의 농도를 증가시키는 것이 쌍정의 형성을 억제하고, 합금의 고온 특성을 크게 향상시킨다는 것을 발견했다.
이번 연구진은 두 개의 초합금 샘플들을 약 1400 ℉의 온도와 수천 파운드의 압력을 가하고, 전자 현미경으로 합금의 결정 구조를 조사했다. 그리고 컴퓨터로 원자의 양자 역학적 거동을 모델링했다. 두 개의 합금에서, 높은 온도와 압력은 초합금 결정 속에 결함을 발생시켰다. 그러나 결함 속의 재료 조성은 서로 다른 방향으로 변했다.
첫 번째 합금의 경우에, 코발트와 크롬 원자들이 결함을 채웠다. 이것은 결함 주위를 약하게 했고, 결함이 더 두껍게 되어서 결국 나노 쌍정이 형성되게 했다. 두 번째 합금의 경우에, 나노 쌍정이 형성되지 않았고, 결함 속에 티타늄, 탄탈륨, 니오븀 원소들이 존재했다. 결과적으로, 매우 안정적인 상(相)이 결함 속에 형성되었다. 이 새로운 상은 매우 안정적이어서 나노 쌍정의 형성을 억제했다.
결함 속에 확산되는 원자들은 전제 합금 조성에 따라서 달라진다. 합금 속에 티타늄, 탄탈륨, 니오븀의 양을 증가시키면 나노 쌍정의 확산을 방지할 수 있다. 이번 연구진은 합금 조성의 조정이 이런 효과를 어느 정도까지 향상시킬 수 있는지를 조사하고 있다.
이 연구는 새로운 재료 및 공정 개발에 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 제트 엔진은 비행기의 성능과 안전성을 결정짓는데 매우 큰 역할을 한다. 이런 제트 엔진을 강하게 만들 수 있다면, 초고온 상태에서 제트 엔진을 가동시킬 수 있어서 연료 소모량을 줄일 수 있고, 결국 환경오염을 줄일 수 있다. 이 연구는 이런 측면에서 매우 혁신적이고 이 기술이 탑재된 제트 엔진이 조만간 상용화될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Phase transformation strengthening of high-temperature superalloys” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms13434).
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