김형섭·손석수 교수(포항공대) 연구팀이 영하 196도의 극저온에서 항복강도 1GPa에 달하는 신개념 초고강도 고엔트로피 합금을 세계 최초로 개발했다고 미래창조과학부(장관 유영민)는 밝혔다.
 
* 항복강도 : 탄성 한계를 넘어 소성변형(응력을 제거하여도 원래의 치수?모양으로 돌아가지 않는 변형)이 발생하기 시작하는 응력
 
  전통적인 합금은 합금 원소를 첨가할수록 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하고 이는 소재의 기계적 성질을 취약하게 만들어 다량의 합금 원소를 첨가하는 것은 제한되어 왔다.
    
기존 합금과 달리 한 원소에 치우치지 않고 모두가 주요 원소로 작용하여 금속간 화합물을 형성하지 않고 단상을 유지하는 고엔트로피 합금(high entropy alloy, HEA)은 온도가 극저온(영하 196도)으로 낮아질수록 강도, 연성이 높아지고 파괴인성이 우수한 특성이 있지만, 항복강도가 낮아 극한환경의 구조재료로 활용되기에는 한계가 있었다.
     
연구팀은 이러한 한계 극복을 위해, 전산모사법의 열역학 계산을 활용하여 새로운 고엔트로피 합금 조성을 선별하고, 실제 제조를 통해 우수한 기계적 물성을 지니는 고엔트로피 합금 개발에 성공하였다.
    
또한 기존의 균질화 열처리, 열간압연, 냉간압연 및 열처리 공정을 거치는 일반적인 방식을 탈피하여, 열간압연을 생략하고 바로 냉간압연 및 적정온도에서 열처리를 통해 미세조직을 제어하는 방식을 활용하여 상온과 극저온에서 항복강도를 크게 향상시킬 수 있었다.
 
  손석수 교수는 “이번 연구는 새로운 고엔트로피 합금 개발 방법의 제시와 기존의 개념과는 다른 방식의 미세조직 제어를 통해 기계적 물성을 향상시킨 연구로써, 극지방용 선박, 원유 및 액체가스 운반용기, 우주항공 및 심해산업 등 다양한 극한 환경 구조재료 산업에 무궁무진한 잠재력을 가지며 크게 활용될 것으로 기대된다.”며 연구의 의의를 설명했다.
 
김형섭·손석수 교수의 연구내용은 재료분야 학술지인 Nature Communications 6월 12일자에 온라인 게재되었다.
 
- 논문명: Cryogenic strength improvement by utilizing room-temperature deformation twinning in a partially recrystallized VCrMnFeCoNi high-entropy alloy
 
- 저자 정보: 손석수(교신저자, 포항공대 연구교수), 조용희(제1저자, 포항공대 통합과정), 정승문(공동저자, 한국원자력연구원 선임연구원), 최원미(공동저자, 포항공대 통합과정), 김형섭(공동저자, 포항공대 교수), 이병주(공동저자, 포항공대 교수), 김낙준(공동저자, 포항공대 교수), 이성학(공동저자, 포항공대 교수) 
    
본 연구는 미래창조과학부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행하고 있다.
    
논문명, 주저자 정보 
     
논문명: Cryogenic strength improvement by utilizing room-temperature deformation twinning in a partially recrystallized VCrMnFeCoNi high-entropy alloy 
     
저자 정보: 손석수(교신저자, 포항공대 연구교수), 조용희(제1저자, 포항공대 통합과정), 정승문(공동저자, 한국원자력연구원 선임연구원), 최원미(공동저자, 포항공대 통합과정), 김형섭(공동저자, 포항공대 교수), 이병주(공동저자, 포항공대 교수), 김낙준(공동저자, 포항공대 교수), 이성학(공동저자, 포항공대 교수)

논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성
   기존의 전통적인 합금은 합금 원소를 첨가할수록 금속간 화합물 (intermetallic compound)을 형성하며, 이는 소재의 기계적 성질을 취약하게 만들어 다량의 합금 원소 첨가는 제한되어 왔다. 하지만, 기존의 합금과는 다르게 한 원소에 치중되지 않고 모두가 주요 원소로 작용하여 높은 혼합 엔트로피 (configuration entropy)를 가져 금속간 화합물 형성 없이 단상을 유지하는 고엔트로피 합금 (high entropy alloy, HEA) 이 학계에 보고되었다.

    특히 면심 입방 구조(Face Centered Cubic)계열 고엔트로피 합금은 상온(25도) 에서 극저온(영하196도)으로 온도가 낮아질수록 변형 쌍정 (Deformation Twin)이 다량 발생하여 강도 및 연성이 높아지며, 극저온 상용재료 대비 우수한 극저온 물성, 높은 파괴인성을 가진다고 보고되었다. 이로 인해 극한 환경에 적용할 수 있는 구조재료로 매우 각광받고 있다. 하지만, 고엔트로피 합금의 형성원리에 대한 학문적 기반이 아직 갖춰지지 않아 합금개발에 높은 진입장벽이 있었다. 

또한, 극저온용 고엔트로피 합금의 우수한 특성에도 불구하고, 면심 입방 구조 계열의 특성상 소재의 영구 변형에 대한 저항을 나타내는 항복강도가 낮은 한계점이 있다.

새로운 소재가 저온, 고압환경 등의 극한 환경에 적용되기 위해서는 강도, 연신율, 파괴 인성, 내식성 등 다양한 요구 특성이 있지만, 구조재료로써 실제로 활용되기 위해서는 영구 변형 자체를 억제할 수 있는 높은 항복강도가 필히 요구된다.

 2. 발견 원리
   본 연구팀에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 전산모사법을 도입하여 열역학 상평형 계산을 토대로 기존에 보고되지 않은 새로운 조성의 합금을 찾아냈다.

자체적으로 업그레이드 된 열역학 계산 데이터베이스를 활용하여 녹는점에서 590도 까지 안정한 면심 입방 구조 계열의 단상을 가지는 조성을 도출하였다.

계산을 검증하기 위하여, 진공유도 방식으로 각 원소를 용해하고 합금을 제작하였다.

   일반적으로 대부분의 합금은 균질화 처리 후 고온에서 열간 압연을 하여 미세한 조직을 형성시킨 후, 이를 상온에서 냉간 압연하고 최종적으로 열처리를 통해 딱딱한 판재를 고온에서 부드럽게 만드는 공정으로 제조된다.

하지만, 본 연구에서는 균질화 처리(1100도) 후 열간 압연 없이 바로 높은 압하율로 냉간 압연을 하였다. 

고엔트로피 합금에서 우수한 극저온 물성의 주된 이유는 변형 쌍정이다. 쌍정의 형성은 결정립 크기에 큰 영향을 받으며, 결정립 크기가 커질수록 쌍정형성을 위한 임계응력이 낮아진다.

본 연구팀은 기존의 열간 압연 없이, 고온에서 열처리 한 후의 커다란 결정립 크기에 큰 압하량을 가하여 상온에서 다량의 압연 쌍정(Rolling Twin)을 생성시켰다.

   기존의 방식과 다르게 냉간 압연 판재를 미세한 크기로 완전히 재결정 시키지 않고, 750도의 온도에서 부분적으로 재결정을 시켰다.

이럴 경우 결정립 내부의 전위(Dislocation)밀도는 낮아지고 열적 안정도가 높은 압연 쌍정은 잔류하게 된다. 이 잔류시킨 압연 쌍정과 미세 결정립이 극저온 항복강도를 크게 향상시키는 역할을 하였다.

이처럼 고엔트로피 합금에서 쌍정을 상온에 잔류시키고, 이를 극저온 물성 향상 기구로 활용한 사례는 전무하며 본 연구팀이 최초로 구현하였다.

 3. 연구 성과
   기존에 보고되지 않은 새로운 고엔트로피 합금을 이론적 근거 하에 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 발견하였고, 기존의 공정과는 다른 방식으로 미세조직을 제어하여 극저온에서의 매우 우수한 기계적 물성 구현해냈다.

특히 기존의 고엔트로피 합금의 경우 극저온에서 우수한 기계적 물성을 보이는 원인이 변형쌍정의 생성인데, 이번에 소개된 고엔트로피 합금은 상온에서 생성시킨 쌍정을 활용하여 상온과 극저온 모두에서 강도를 향상 시켰다는 것이 중요한 시사점이다.

   연구팀이 개발한 새로운 고엔트로피 합금은 극지방용 선박, 원유 및 액체가스 운반 용기, 우주항공 및 심해 산업 등 기존 합금의 한계를 넘어선 다양한 극한 환경 구조재료 산업에 크게 활용될 것으로 기대된다.

이러한 새로운 조성의 고엔트로피 합금의 개발과 초고강도를 얻기 위한 미세조직 제어 기술은 원천 기술을 개발하고 미래 소재를 발굴하는 데에 있어 큰 발전을 이룩하고 새로운 시각을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
 
 

▲     © 특허뉴스

 
그림설명 :  열역학 계산에 의해 설계된 합금의 열역학 평형 상태도와 실제 미세구조
(a) 600℃~800℃의 온도 범위에서 10Co15Cr10V을 포함하는 합금에서 Fe, Mn 및 Ni의 몰분율 변화에 따른 평형 상태도. (b) 300℃ ~ 1400℃의 온도 범위에서 액체, FCC, Co-Fe BCC 및 Cr-rich BCC의 평형 상 몰 분율. (c) 750℃과 900℃에서 열처리 한 합금의 X선 회절 패턴. 
  
 

▲     © 특허뉴스

그림설명 :  균질화 처리 및 열처리 조건에 따른 미세조직
 (a) 균질화 처리 된 시편의 Inverse pole figure 사진 (b) H900시편의 Inverse pole figure 사진
(c) H750 시편의 Inverse pole figure 사진 (d) H750 시편의 확대된 Inverse pole figure 사진
(e) H750 시편의 확대된 Image Quality + Kernel average misorientation 사진
 

▲     © 특허뉴스

그림설명 : 상온 극저온 인장 특성 H700 및 H900 합금의 상온 및 극저온 공학 응력-변형률 곡선
 

▲     © 특허뉴스

 
그림설명 :  H900합금의 상온 및 극저온 인장 미세구조
(a-d) 상온 인장 파면 아래의 파단면에서의 Inverse pole figure, Image Quality, Bright-Field, Selected-area diffraction pattern 사진 (e-h) 극저온 인장 파면 아래의 파단면에서의 Inverse pole figure, Image Quality, Bright-Field, Selected-area diffraction pattern 사진

▲     © 특허뉴스

그림설명 :  H750합금의 상온 및 극저온 인장 미세구조
(a-b) 상온 인장 파면 아래의 파단면에서의 Inverse pole figure 사진
(c-h) 극저온 인장 파면 아래의 파단면에서의 Inverse pole figure, Image Quality, Bright-와 Dark-Field , Selected-area diffraction pattern 사진

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