▲ 본 연구진이 개발한 철게 중엔트로피합금의 미세조직 도식도와 인장물성/그림 1a는 본 연구에서 개발된 스피노달 구조를 가진 중엔트로피 합금의 미세조직을 각기 다른 배율에서 도식화한 것이다. 그림 1b는 개발된 합금의 인장 물성을 보여준다. 본 연구에서 개발한 스피노달 구조를 가진 중엔트로피 합금은 스피노달이 발생하지 않은 부분 재결정 시편 대비 186% 증가한 1.1 GPa의 항복 강도를 가지며, 동시에 이전과 거의 변화 없는 28%의 연신율을 가진다. 그림 1c에서는 다른 고/중엔트로피 합금 및 철강과 해당 합금의 물성을 비교하였다. 이는 기존에 보고된 합금과 비교했을 때 매우 우수한 강도-연신율 동시 향상을 보여준다.(그림 및 설명=포항공과대학교 박효진 대학원생)  © 특허뉴스

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

한국연구재단은 포항공과대학교 김형섭, 허윤욱 교수와 美 노스웨스턴대학교 파라나즈 하프트랑(Farahnaz Haftlang) 박사 공동연구팀이 강도와 연신율을 동시에 높인 중엔트로피합금을 설계하여 구조재료의 오랜 난제를 해결했다고 밝혔다. 중엔트로피 합금은 주된 원소 없이 여러 원소를 비교적 동등한 비율로 혼합하여 높은 혼합 엔트로피를 보인다. 합금원소의 종류와 함량을 자유롭게 조절하여 합금의 강도, 연성, 내식성, 전자기적 특성 등을 발전시킬 수 있다. 

철(Fe)을 기반으로 한 중엔트로피합금은 높은 강도와 연신율, 내부식성 등 우수한 물성으로 각광받고 있다. 하지만 낮은 항복강도(물체에 변형이 생기기 전까지 가할 수 있는 최대 응력)를 극복하기 위해 석출(금속의 고용체로부터 이상 결정이 분리 성장하는 현상)강화를 이용하는데, 석출상은 기지 조직과 구조가 달라 정합성(coherency) 차이로 연신율이 줄어드는 한계가 있다. 또한 석출상을 얻기 위해 복잡하고 섬세한 열처리가 필요하다. 

이에 따라 철계 중엔트로피 합금의 우수한 기계적 물성을 얻기 위해 연신율 감소 없이 항복강도를 증가시킬 수 있는 새로운 강화기구의 필요성이 제기되었다. 

연구팀은 기존의 석출강화 대신 스피노달 강화를 활용하여 고강도·고연신 중엔트로피 합금 설계 가능성을 제시하였다.

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 예측하였다. 또한 실험을 통해 석출상을 만드는데 필요했던 복잡한 과정 없이, 저온 열처리로 스피노달 분해된 나노 수준의 조성 분리가 기지 전체에 균일하게 나타남을 확인하였다. 

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 적용되어 제품의 경량화, 내구성 향상 등에 기여할 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 

이번 연구의 성과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature communications)에 7월 9일 게재되었다. 

논문명은 Periodic spinodal decomposition in double-strengthened medium-entropy alloy 이다.