3D 프린터로 출력할 수 있는 내열 초합금

 (A new 3D printing process combines metallic elements, melting them together into a novel superalloy with extraordinary properties. Credit: Craig Fritz / Sandia Labs)

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(The new superalloy has some outstanding characteristics when compared with other high-temp materials. Credit: Sandia Labs)

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(Raw materials are put separately into the Laser Engineered Net Shaping additive manufacture machine. Credit: Craig Fritz / Sandia Labs)

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금속 합금을 연구하는 과학자들은 끊임없이 더 높은 온도에서도 우수한 기계적 성질을 지닌 합금을 만들기 위해 노력해왔습니다. 일반적인 금속은 녹는 점 이전에도 높은 온도에서 흐물흐물해지면서 강도가 약해지는 것이 일반적입니다.

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이런 변화는 온도가 높을 수록 효율이 높아지는 내연 기관이나 증기 터빈에는 치명적인 일입니다. 따라서 과학자들은 이를 극복하기 위해 다양한 초합금 제조 기술을 개발했습니다.

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미 국립 산디아 연구소, 에임스 국립 연구소, 아이오와 대학 (Sandia Labs, Ames National Laboratory and Iowa State University)의 연구팀은 최신 3D 프린팅 기법으로 기존의 구리나 코발트, 티타늄 계열 초합금을 넘어서는 새로운 내열 초합금을 개발했습니다.

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금속 3D 프린팅 기술은 복잡한 구조를 지닌 부품도 한 번에 출력할 수 있고 다양한 제품을 필요에 따라 소량 생산하는 일도 어렵지 않아 항공 산업은 물론 제조업에 점점 더 많이 쓰이고 있습니다. 하지만 기존의 합금 만큼 우수한 성질을 지녀야 한다는 과제가 있었습니다.

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연구팀이 개발한 (multi-principal-element superalloy, MPES) 합금은 알루미늄 42%, 티타늄 25%, 니오븀 13%, 몰리브덴 8%, 지르코늄 8%, 탄탈륨 4%로 이뤄진 복잡한 합금으로 열처리를 한 후에 매우 단단한 초합금으로 거듭납니다.

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MPES 합금은 최대 강도가 4.5 GPa이고 밀도는 8.2 g/cm3로 밀도 대비 강도는 0.55 GPa-cm3/g에 달합니다. 이는 기존의 내연 기관용 합금은 물론이고 제트 엔진 및 증기 터빈 블레이드보다 높은 것입니다. 이 합금의 기계적 성질은 섭씨 800도에서도 전혀 떨어지지 않아 고온에서도 높은 효율을 기대할 수 있습니다.

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연구팀은 이렇게 만든 3D 프린터 초합금이 크랙이나 기계적 결합도 적고 복잡한 형태로 쉽게 출력할 수 있어 앞으로 고효율 발전기나 제트 엔진 등 여러 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대했습니다. 이미 3D 프린팅 제조 기술이 우주 항공 산업 분야에서 사용되고 있는데, 앞으로는 이 분야에서 활용도가 점점 더 커질 것으로 기대됩니다.

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참고

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https://newatlas.com/materials/high-temp-superalloy/

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352940722003031

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