Science

알루미늄보다 가볍고 티타늄보다 강한 새로운 고엔트로피 합금

장종엽엔에스 2014. 12. 16. 10:12

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-16
기존의 어떤 금속 재료보다도 더 높은 비강도(strength-to-weight ratio)를 갖는 새로운 고엔트로피 합금(high-entropy alloy, HEA)이 노스캐롤라이나대학(North Carolina State University) 및 카타르대학(Qatar University) 연구팀에 의해 개발되었다. 연구팀은 리튬, 마그네슘, 티타늄, 알루미늄 및 스칸듐(scandium)을 이용해 저밀도, 나노결정 합금(Al20Li20Mg10Sc20Ti30)을 제조하기 위해 기계적인 합금방법(mechanical alloying)을 사용하였다. 예상되는 비강도는 다른 나노결정 합금보다 상당히 높고 세라믹에 견줄 수 있는 수준이었다. 본 연구결과는 Materials Research Letters에서 무료로 열람할 수 있다.

고엔트로피 합금은 새로운 종류의 다성분 합금 시스템으로, 합금의 디자인은 단일 기본성분에 첨가하는 방법이 아니라 거의 동일한 농도로 혼합할 때 고용체(solid solution)를 형성할 수 있는 원소들을 선택하여 이용하는 방법을 활용하였다.

운송 및 에너지 분야에서 에너지절감을 위한 고강도 저밀도 합금에 대한 많은 관심이 있었지만, 지금까지 저밀도 고엔트로피 합금에 대한 연구는 많지 않았다. 연구팀은 논의를 위해 저밀도 기준을 3 g/cm3 미만으로 규정하였다. 연구팀이 아는 바로는, 단일상 저밀도 고엔트로피 합금이 보고된 바는 없었다. 본 연구에서 저밀도 고엔트로피 합금의 가공, 구조 및 기계적 경도에 대한 연구결과를 소개하고 있다.

리튬 및 마그네슘의 높은 증기압(vapor pressure)으로 인해, 연구팀은 합금화를 위해 용융이나 주조 대신에 기계적 합금화 방법을 사용하였다. 합금 분말을 스테인리스 스틸 용기에 담아 스테인리스 스틸 볼과 함께 고순도 아르곤으로 채워진 상자에 집어넣었다. 2시간 동안 액체질소로 냉각되는 변형된 SPEX 8000 혼합기에서 볼 밀링(ball milling)을 시행한 후, 상온에서 14시간 동안 밀링을 추가로 시행하였다. 연구팀은 기계적 밀링 과정의 시작 시점에서 분말의 결합을 막기 위해 액체 질소를 이용해 냉각시켰다.

그 결과 밀도가 2.67 g/cm3로 저밀도인 합금이 만들어졌는데, 나노결정의 입자 크기는 12nm이고 기계적 강도는 5.9GPa 정도였다. 밀도는 알루미늄과 유사했지만, 티타늄 합금보다도 강했다. 예측했던 고강도와 저밀도의 조합이 실현되는 순간이었으며, 어떤 금속 물질에도 뒤지지 않았다. 비강도는 일부 세라믹과 유사하였지만, 연구팀은 세라믹보다 인성이 더 좋은(잘 부숴지지 않는) 것으로 생각했다. 연구팀은 여전히 이 물질의 분석과 최적의 가공기법을 개발하기 위한 연구를 수행하고 있다.

현 시점에서, 이 합금의 일차적인 문제는, 성분의 20%가 매우 값비싼 스칸듐으로 이루어졌다는 점이다. 연구팀은 합금으로부터 스칸듐을 제거하거나 대체할 수 있을지에 대해 연구 중이다.

본 연구는 카타르대학 Khaled Youssef 박사가 주도하였다. 공동저자로 노스캐롤라이나 주립대학 박사과정 학생인 Alexander Zaddach 및 Changning Niu, 노스캐롤라이나 주립대학 재료공학과 부교수인 Douglas Irving가 연구에 참여하였다. 본 연구는 국립과학재단의 지원(DMR-1104930)을 받았다.

그림> 엔지니어링 재료를 위한 밀도 대비 강도에 대한 그래프. 금속 및 고분자의 항복강도(yield strength), 탄성체의 인열강도(tear strength), 세라믹의 압축강도(compressive strength) 및 복합재료의 인장강도(tensile strength)가 표시되어 있다. 저밀도 고엔트로피 합금은 별 모양으로 표시되어 있다.

원문정보: Khaled M. Youssef , Alexander J. Zaddach , Changning Niu , Douglas L. Irving , Carl C. Koch (2014) “A Novel Low-Density, High-Hardness, High-entropy Alloy with Close-packed Single-phase Nanocrystalline Structures,” Materials Research Letters doi: 10.1080/21663831.2014.985855