포스텍, 초고강도 철계 합금 개발…3D프린팅으로 ‘강도-연성 딜레마’ 극복

극한 환경에서 사용되는 철강 소재의 대표적인 난제로 꼽혀온 ‘강도와 연성의 상충 관계’를 동시에 극복할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 제시됐다.포스텍(POSTECH) 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀은 최근 금속 3D프린팅 기술을 활용해 강도와 연성을 동시에 높인 초고강도 철계 합금을 개발했다. 이번 연구는 제조·공정 분야 국제 학술지 International Journal of Extreme Manufacturing에 게재됐다.초고강도 철계 합금은 항공우주, 자동차, 방위산업 등 극한 하중을 견뎌야 하는 구조 부품에 사용된다. 특히 마레이징강은 높은 강도를 구현할 수 있는 대표 소재지만, 강도가 높아질수록 연성이 낮아져 충격에 취약하다는 한계가 있었다.연구팀은 3D프린팅 공정 중 금속 분말이 급속 용융·응고되며 형성되는 수백 나노미터 크기의 벌집형 ‘셀 구조’에 주목했다. 이를 단순한 공정 부산물이 아닌 소재 설계 요소로 활용한 것이다.연구팀은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo)을 조합한 마레이징 중엔트로피 합금 분말을 제작하고, 3D프린팅으로 기공이 거의 없는 합금을 구현했다. 이 과정에서 몰리브덴이 셀 경계에 집중되는 구조가 형성됐으며, 연구팀은 열처리 조건을 조절해 미세조직을 제어했다.실험 결과, 높은 온도에서 열처리한 합금은 취성 조직이 줄고 연성이 우수한 결정립이 균일하게 분포했다. 이를 통해 항복강도 1,484㎫, 인장강도 1,750㎫, 균일 연신율 10%를 달성했다. 이는 기존 3D프린팅 기반 18Ni 마레이징강, AerMet100 등 초고강도 철계 합금과 비교해도 우수한 강도·연성 조합으로 평가된다.김형섭 교수는 “3D프린팅 과정에서 자연스럽게 형성되는 나노 셀 구조를 활용해 초고강도와 높은 연성을 동시에 확보했다”며 “이번 연구는 고성능 금속 부품의 3D프린팅 적용 범위를 넓히는 계기가 될 것”이라고 말했다.이번 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업과 선도연구센터사업의 지원을 받아 수행됐으며, 일본 J-PARC 중성자 가속기 시설을 활용한 실시간 인장 실험도 병행됐다. 

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