오하이오 주립대 연구: 공학적 결정 결함이 화학 조성 변경 없이 합금 2종 강화

오하이오 주립대학교 연구진이 이끄는 팀은 의도적으로 도입한 결정 결함을 고밀도 질서 네트워크로 배열함으로써 화학 조성을 변경하지 않고 2종의 금속 합금을 강화했다고 보고했다. 이 동료 심사 논문은 이번 주 Science에 게재되었다고 대학 보도자료가 전했다. 공동 저자에는 독일 에를랑겐-뉘른베르크 대학교와 미국 캘리포니아주 로런스 리버모어 국립연구소의 연구자들이 포함된다.

이 방법은 2단계로 이루어진다. 연구팀은 먼저 니켈을 함유한 초합금과 크롬-텅스텐 합금이라는 2종의 코발트 기반 재료의 결정을 변형시킨 뒤 열로 천천히 시효 처리했다. 보도자료에 따르면 이를 통해 구조 내부에 고밀도의 원자 수준 얇은 특징이 생성되었다. TechXplore가 인용한 논문 제목에서는 이를 질서화된 2차원 결함상으로 설명한다. 투과전자현미경과 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 팀은 강도 향상을 이러한 결함 주변의 원자 배열과 연결지었으며, 보도자료는 그 배열을 변경하면 재료의 강도에 영향을 줄 수 있다고 밝혔다.

보도자료에 따르면 이 공정은 금속이 견딜 수 있는 응력과 고온에서의 느린 변형, 즉 크리프에 대한 저항성을 모두 현저히 높였다. 제1저자이자 오하이오 주립대 재료과학공학과 겸임 조교수인 Andreas Bezold는 공학적 결함층이 기존 재료 설계를 보완할 수 있음을 결과가 시사한다고 말했다. 「이러한 강화 구조를 재료 설계의 의도적인 부분으로 만들고 싶었다」고 그는 말했다. 이 연구는 변형 과정에서 형성된 결함이 강화층이 될 수 있음을 보여준 이전 오하이오 주립대 연구를 기반으로 한다. 보도자료는 이 새로운 접근법이 결함 밀도를 충분히 높여 이들 합금을 완전히 강화한 최초의 시도라고 설명했다.

공동 저자이자 오하이오 주립대 재료과학공학과 교수인 Michael Mills는 결함이 보통 손상과 연관되지만 「적절한 구조와 화학적 성질을 가진 적절한 결함은 실제로 재료를 더 강하게 만들 수 있다」고 말했다. 보도자료는 이 접근법이 장래 고온에 노출되는 장비용 고강도 합금 생산에 사용될 수 있다고 제시하며 항공기 터빈 엔진과 발전소 기계를 예로 들었지만, 이를 미래의 가능성으로 규정했다. 현재로서는 팀의 기여가 공학의 설계 원리를 확장하는 것이라고 밝혔다.

이 결과는 2종의 특정 합금에 관한 단일 동료 심사 연구에서 나온 것이다. 보도자료는 산업 시험, 부품 테스트 또는 정량적 강도 수치를 보고하지 않았으며 실용화 일정도 제시하지 않았다. 자금은 미국 에너지부와 국립과학재단이 지원했으며, 알렉산더 폰 훔볼트 재단과 오하이오 주립대 전자현미경·분석센터의 추가 지원을 받았다.