과학자들이 3D 프린팅 기술을 티타늄 합금에 적용하여 소재의 강도를 두 배로 늘리고 항공우주 분야에서의 잠재적 응용 범위를 확대하는 새로운 돌파구를 마련했습니다.
새로운 티타늄 합금은 기록적인 피로 강도를 자랑합니다. 사진: iStock
중국과학원(CAS)은 2월 28일 학술지 네이처(Nature)에 발표한 연구 논문에서 이번 연구 성과를 상세히 설명했다. 이 연구는 중국과학원 재료연구소 선양재료과학연구실의 장전쥔(Zhang Zhenjun)과 장저펑(Zhang Zhefeng) 연구원, 그리고 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 로버트 리치(Robert Ritchie) 교수의 공동 연구 결과물이다. 논문에 따르면, 연구 아이디어와 재료 샘플 제작 모두 중국에서 시작되었으며, 리치 교수는 평가 과정에 참여했다.
3D 프린팅은 제조 방식을 혁신적으로 변화시켰지만, 높은 피로 저항성이 요구되는 부품 제작에는 아직 활용도가 매우 제한적입니다. 피로 강도 또는 피로 저항성은 기계 부품이 기어 마모나 표면 균열과 같은 피로 파손에 저항하는 능력을 말합니다.
레이저를 이용하여 금속 분말을 녹여 복잡한 형상으로 빠르게 적층하는 3D 금속 프린팅은 크고 복잡한 부품을 신속하게 생산하는 데 이상적인 방법입니다. 그러나 프린팅 과정에서 자주 사용되는 강력한 레이저 빔에서 발생하는 고온은 부품 내부에 기포를 형성하여 합금의 성능에 영향을 미칩니다. 이러한 미세한 기공은 압력 중심이 되어 조기 균열을 유발하고 재료의 피로 수명을 단축시킬 수 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 다공성 티타늄 합금을 개발하기로 결정했습니다. 그들은 티타늄-알루미늄-바나듐 합금인 Ti-6Al-4V를 사용하여 현재까지 알려진 티타늄 합금 중 가장 높은 피로 저항성을 달성하는 공정을 개발했습니다. 장전쥔(Zhang Zhenjun)에 따르면, 이 공정은 기공을 제거하기 위해 고온 등온 가압으로 시작한 다음, 합금의 내부 구조 변화가 일어나기 전에 급속 냉각합니다. 이 공정을 통해 얻은 다공성 합금은 인장 피로 강도가 기존 475MPa에서 978MPa로 106% 증가하여 세계 신기록을 세웠습니다.
장전쥔은 이번 성과가 항공우주 및 신에너지 자동차와 같이 경량 소재가 필요한 다양한 산업 분야에 적용될 가능성을 보여준다고 말했다. 현재까지 이 신소재는 아령 모양의 시제품 형태로만 제작되었으며, 가장 얇은 부분이 3mm에 불과해 실용적인 용도로 사용하기에는 너무 작다. 이 기술은 아직 실험 단계에 있지만, 복잡한 장치를 제작하는 데 큰 잠재력을 가지고 있다.
중국과학원(CAS)에 따르면 NASA 로켓의 노즐, J-20 전투기 기체, 중국 C919 항공기의 연료 노즐 등 많은 항공 부품이 3D 프린팅 기술을 이용해 제작되고 있다. 향후 대량 생산 가능성이 있는 이 신기술은 더욱 폭넓은 분야에 적용될 것으로 기대된다.
안캉 ( 테크 타임스 에 따르면)
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