연구홍보포털

논문 초록 (Abstract)

초내열 재료라 함은 고온에도 강도를 유지하며 부품 으로 제조할 경우 고온의 환경하에서 부품으로서 역할 을 할 수 있는 재료라 할 수 있으며, 고분자 복합재료부 터 산화물 등 매우 넓은 영역의 재료로 정의할 수 있다. 초내열금속의 경우 일반적으로 유도탄 및 비행기의 엔 진의 터어빈 블래이드에 많이 사용되고 있으며, 다양한 크기를 가지고 있다. 세계 제 2차 대전 전투기들의 공 중전에서 고속 신형 전투기의 출현에 따라 승패가 변하 며, 이러한 전투기 고속도는 엔진온도를 상승시키므로 고온의 엔진온도를 견딜수 있는 터어빈 블래이드용 고 온재료 개발을 필요로 한다 [1]. 또한, 고온재료는 비행 기 및 유도탄 등의 기체 부품에 필수적으로 적용되어야 하기 때문에 더욱 중요하다고 할 수 있다. 고온재료는 고온의 일정한 온도에서 대기 중에 노출될 경우도 있지 만, 고속의 고온 화염하에서 순간적으로 노출될 경우 도 많다. 특히, 발사체주변의 고온부위의 부품은 이러 한 극한 상황에 노출될 경우가 많은데, 이러한 화염에 노출될 경우는 내산화성과 더불어 내삭마특성이 요구 된다. 따라서, 초내열 고온금속재료의 개발은 정적· 동적 화염에 노출되며 상온·고온강도, 내산화, 내삭 마, 내크립 특성 등이 요구되는 기술 집적분야라 할 수 있으며, 전술한 바와 같이 생명을 좌우하는 국방분야 와 직결된다고 할 수 있다. 고온재료는 약 1940년대부 터 Ni-Cr 합금을 시작으로 최근에는 최소 9개 이상의 원소를 함유시킨 많은 초내열합금이 개발되어 왔다. Ni기 초내열합금의 동향에 대하여는 재료마당 2011년 Vol 24. 2월호 [2] 에 자세히 수록되어 있다. 즉, 초내 열합금의 개발은 에너지산업 뿐 아니라 국방산업과 직 접적으로 연결되어 고온재료의 개발은 우리나라와 같 은 방어시스템을 구축해야하는 나라에서는 시급하다 고 할 수 있다. 부연 설명을 하면, Ni기 초내열합금은 강도학적인 측면에서 고온 및 상온 강도를 유지해야함으로, 강도를 높이기 위하여 알려진 모든 강화기구가 포함되어 있다. 즉, 기지 및 석출물 고용경화, 결정립강화, 석출강화, 역위상경계에너지 (Anti-phase boundary energy) 강화, 정합 (Coherency)강화 등 뿐 아니라, 고온에서 석출물의 성장을 저하시키기 위하여 확산속도가 낮은 원소를 첨가하는 등 상변태의 측면에서도 많은 이론들 이 고온재료의 개발에 내재되어 있고, 교과서 측면에 서 기술되어 있는 거의 모든 이론들이 합금개발에 함축 되어 있다 [3]. 즉, 원소 하나 하나를 선택하여 첨가하 고 그 효과를 극대화시키기 위하여 다양한 노력을 기울 여왔다. 기본적으로 Ni기 초내열합금의 구성요소를 보 면 고용체인 Ni기지 (γ, 감마)에 정합 석출물인 Ni3Al (γ‘, 감마 프라임)이라는 석출물로 이루어 졌으나, γ’ 석 출물은 약 1100 ℃이상이 되면 다시 γ기지에 고용된다. 즉, Ni기 초내열합금은 γ’석출물의 재고용 온도인 1100 ℃이상의 온도에 노출되면 합금이 강도를 유지하지 못 하여 사용이 불가능 해 진다. 이러한 Ni기 초내열합금의 한계온도를 극복하기 위 하여 어떤 연구가 진행될까? 최근 미국 금속학회지에 서 발표된 Journal of Metals의 내용을 보면 고온재료 의 방향을 나타낸다고 할 수 있으며 크게 두 가지로 방 향이 나누어지고 있음을 알 수 있다 [4]. 즉, Ni기 초내 열합금의 경우에, 열역학적인 계산과 희유금속을 첨가 하여 사용온도를 예측하며, 열안정성을 높이고자 하 는 시도가 이루어지고 있다. 즉, 최소 9개 이상의 원소 가 첨가된 합금임으로 열역학적인 평형에 대한 정보가 중요하여 상평형에 대한 시도가 이루어지고 있다. 또 한, 백금 (Pt) 이나 루테늄 (Ru)을 첨가하여 높은 열안 정성 및 고온 크립 강도 등을 높이고자 시도되고 있다. 하지만, 여기서 고려해야 할 점은 Ni의 융점 과 γ’석출 물의 재고용온도이다. 즉, 아무리 사용온도를 높이고 자 하더라도 Ni의 융점인 1455 ℃이상으로 높일 수 없 으며, 기본적으로 γ’석출물의 재고용온도인 ~1100 ℃ 이상으로 사용온도를 올릴 경우 재료는 강도를 유지할 수 없음으로 사용이 불가하다는 한계가 있다. 따라서, 최근 미국. 일본, 독일 등에서는 Ni기 초내열합금을 능 가하는 새로운 고온합금을 개발하고 있다 (그림 1) [5]. 간단히 말하면, Ni의 융점은 1455 ℃이지만, Mo나 Nb 의 융점은 ~ 2500 ℃이다. 따라서, 고온재료 합금의 개발에서는 Ni보다 Mo나 Nb으로 방향을 전환하는 것 은 당연하다고 말할 수 있다. 최근, 미국 금속재료학회 (TMS)에서는 Ni기 초내열합금을 능가하는 재료특성 (Materials Properties: Beyond Ni based superalloy) 이라는 session이 등장한지 이미 수년이 되었고, 독일 과 일본에서도 이와 유사한 학회가 열리고 있다. Ni기 초내열합금을 아무리 개발해도 기본적인 융점의 한계 점을 극복할 수 없다는 사실을 모두 인지한 결과라 할 수 있다. 이제 Ni기 초내열 합금의 특징을 능가하는 재 료의 개발동향이 어떠한지 알아보자.