기계/재료

하이엔트로피 합금이 강도 및 소성을 동시에 보유한 원인 규명

발행일 : 2019 / 10 / 12

최근, 저장(浙江)대학 재료과학·공학학원 위쳰(餘倩) 연구팀은 미국조지아공과대학교(Georgia Institute of Technology) Ting Zhu 교수, 캘리포니아대학교버클리캠퍼스(University of California, Berkeley) Robert. Ritchie 교수 등과 공동으로 하이엔트로피 합금(High-entropy alloys)의 원소 분포 해석 연구를 기반으로 하이엔트로피 합금에서 격자가 역학적 성능을 조절하는 특수한 메커니즘을 규명함으로써 복잡한 성분 합금의 강성 메커니즘을 이해하는데 중요한 이론적 의미가 있다. 해당 성과는 “Nature”에 게재됐다.

원소 주성분과 미량성분이 뚜렷한 전통적인 합금과는 달리 하이엔트로피 합금은 5종 및 그 이상의 함량이 비슷한 금속으로 구성됐다. 따라서 결정구조가 또렷하지만 원소 분포가 무질서하며 고강도 및 높은 소성을 동시에 보유하고 있다. 하지만 기존에 다양한 원소를 미시적 규모에서 어떻게 혼합해야 성능 우위를 형성할 수 있는 지에 대하여 파악하지 못했다.

재료의 원자 규모에서의 원소 분포 특성 연구를 통해 연구팀은 하이엔트로피 합금 중 다양한 원소의 농도는 변화를 일으키면서 구릉 모양의 농도 파동(Concentration wave)을 형성하며 전통적인 금속에서와 같이 평활하지 않음을 발견했다. 전통적인 계면 조절 및 클러스터 등 정밀 구조 조절에 비하여 하이엔트로피 합금 중 독특한 농도 파동 조절은 매우 정밀함과 아울러 연속성을 보유하고 있으며 또한 제어가능 및 고효율적인 재료 강인화 방법이다.

해당 “구릉”이 바로 격자 규모에서의 전위 이동 조절 본질이다. 연구팀은 합금 중의 망간 원소를 더욱 무거운 팔라듐 원소로 대체한 결과, 마치 “구릉의 해발고가 대폭 높아진” 것과도 같이 농도 파동이 여러 배 증가됨을 발견했다. 고배율 전자현미경으로 관찰한 결과, 가닥가닥의 전위 라인(Dislocation line)은 파도처럼 보이지만 일반적인 재료에서 고정된 슬립밴드(Slip band)에 따라 직선형으로 뻗은 것과 달리 울퉁불퉁하게 뻗어 있었다.

연구팀은 전위가 초기의 결정면에 따라 이동하지 않고 다른 결정면에 따라 이동하는 현상을 “교차 슬립(Cross-slip)”이라고 명명했다. 실험 결과, 대량의 “교차 슬립” 작용은 합금이 더욱 뛰어난 균일 변형 능력 및 강도를 보유하게 한다. 이로써 전통적인 금속 재료의 소성을 증가시킬 수 있는 새 메커니즘을 발견했다. 해당 성과는 향후 항공, 남극/북극 등 환경에서 사용할 수 있는 온도 요구가 높은 재료 제조 및 충돌방지 분야에 응용될 전망이다.