포스텍, 3D 프린팅 기술로 강도와 연성 모두 만족하는 새로운 합금 개발

고성능 금속 부품의 3D프린팅 활용 범위 확대 기대

3D 프린팅 기술 활용해 강도와 연성 뛰어난 철계 합금 제조에 성공한 연구진(왼쪽부터 포스텍 통합과정 이재흥 씨, 포스텍·영국 캠브리지대 권현석 박사, 김형섭 교수)

포스텍(포항공대) 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용해 기존 기술로 만든 초고강도 철계 합금보다 강도와 연성의 조합이 뛰어난 철계 합금을 만드는 데 성공했다.

우주선과 전투기 등 극한 환경에서 버텨야 하는 금속의 강도와 연성을 한꺼번에 해결할 수 있는 기술로 평가된다.

이번 연구는 제조·공정 분야 최상위 국제 학술지인 ''인터네셔널 저널 오브 익스트림 매뉴팩쳐링'에 최근 게재됐다.

초고강도 철계 합금은 금속 3D 프린팅 기술과 결합해 항공우주·자동차·방위 산업 장비처럼 극한의 힘을 견뎌야 하는 구조 부품에 널리 사용되는데, 높은 강도만큼 충격에 약하다는 단점이 있다.

연구팀은 문제 해결을 위해 3D 프린팅 공정 과정에서 만들어지는 아주 작은 내부 구조에 주목했다.

일반적으로 금속 분말이 레이저에 의해 순식간에 녹고 다시 굳는 과정에서 수백 나노미터(nm) 크기의 벌집 모양 '셀 구조'가 형성되는데, 연구팀은 이를 단순한 부산물이 아닌 소재 설계의 핵심 요소로 보고 활용방식을 고민했다.

연구팀은 철·코발트·니켈·몰리브덴을 조합한 새로운 합금 분말을 만든 뒤 3D 프린팅으로 내부 기공이 거의 없는 합금을 제작했다. 이 과정에서 몰리브덴이 셀 경계에 집중된 구조가 형성됐고, 연구팀은 열처리를 통해 이 구조를 정교하게 제어했다.

높은 온도에서 열처리를 하면서 셀 경계의 딱딱하고 취약한 막형태의 조직을 줄이고, 부드러운 성질의 결정립을 최대 27.8%까지 소재 전체에 고르게 발랐다.

이렇게 만들어진 결정립은 단단한 기지 재료 속에 안정적으로 분산돼 높은 강도를 유지하는 동시에, 외부 힘을 받을 때 변형을 흡수하는 성질을 보였다.

덕분에 소재는 높은 강도를 유지하면서도 쉽게 깨지지 않고 더 많이 늘어나는 특성을 갖게 됐다.

포스텍 김형섭 교수는 "3D프린팅 과정에서 자연스럽게 형성되는 나노 크기 셀 구조를 적극 활용해 초고강도와 높은 연성을 모두 확보하는 데 성공했다"며 "이번 연구는 고성능 금속 부품의 3D프린팅 활용 범위를 크게 넓히는 계기가 될 것"이라고 했다.