3D 프린팅 기술로 만든 세계에서 가장 단단한 티타늄 합금

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과학자들은 티타늄 합금에 3D 프린팅 기술을 적용하여 새로운 성과를 달성하고, 소재의 강도를 두 배로 높이고 항공우주 분야에서 잠재적 적용 범위를 확대했습니다.

새로운 티타늄 합금은 기록적인 피로 강도를 자랑합니다. 사진: iStock — 새로운 티타늄 합금은 기록적인 피로 강도를 자랑합니다. 사진: *iStock*

중국과학원(CAS)은 2월 28일 네이처(Nature)지에 발표한 논문에서 이 성과를 자세히 설명했습니다. 이 연구는 중국과학원 재료연구소 선양 재료과학 실험실의 장전쥔(Zhang Zhenjun)과 장저펑(Zhang Zhefeng) 과학자와 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스의 로버트 리치(Robert Ritchie)의 공동 연구로 이루어졌습니다. 논문에 따르면, 이 연구 아이디어는 중국에서 시작되었으며, 재료 샘플 또한 중국에서 제작되었습니다. 리치는 심사 과정에 참여했습니다.

3D 프린팅은 제조 방식에 혁신을 가져왔지만, 높은 피로 저항성이 요구되는 부품 제작에만 활용되고 있습니다. 피로 강도 또는 피로 저항성은 기계 부품이 기어 피팅이나 표면 균열과 같은 피로 손상에 견딜 수 있는 능력을 의미합니다.

레이저를 사용하여 금속 분말을 녹여 단시간에 복잡한 형상으로 적층하는 금속 3D 프린팅은 크고 복잡한 부품을 빠르게 제작하는 데 적합합니다. 그러나 프린팅 과정에서 일반적으로 사용되는 강력한 레이저 빔에서 발생하는 고열로 인해 부품 내부에 기포가 형성되어 합금의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 기포는 응력의 원인이 되어 조기 균열을 유발하고, 이는 재료의 피로 수명을 단축시킵니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 기공이 없는 티타늄 합금을 생산하기로 결정했습니다. 연구팀은 티타늄-알루미늄-바나듐 합금인 Ti-6Al-4V를 사용하여 알려진 티타늄 합금 중 가장 높은 피로 강도를 달성하는 공정을 개발했습니다. 장젠쥔에 따르면, 이 공정은 고온 등온 프레스 공정으로 기공을 제거한 후, 합금 내부 구조의 변화가 발생하기 전에 급속 냉각하는 것으로 시작됩니다. 이 공정을 통해 인장 피로 강도가 표준 475MPa에서 978MPa로 106% 향상된 다공성 합금을 생산하여 세계 기록을 세웠습니다.

장전쥔은 이번 성과가 항공우주 및 신에너지 자동차와 같이 경량 소재가 필요한 산업 분야에 큰 가능성을 제공한다고 말했습니다. 지금까지 이 소재는 아령 모양의 시제품 크기로만 제작되었는데, 가장 얇은 부분이 3mm로 실제 적용에는 너무 작습니다. 이 기술은 아직 실험 단계에 있지만, 복잡한 장치 제조에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

중국항공우주국(CAS)에 따르면, NASA 로켓 노즐, J-20 전투기 동체, 중국 C919 항공기 연료 노즐 등 많은 항공우주 부품이 3D 프린팅 기술을 사용하여 제작되었습니다. 향후 확장이 가능해짐에 따라 이 신기술은 더욱 광범위하게 적용될 것입니다.

안캉 ( 테크타임스 에 따르면)

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