Tailoring strength-ductility of Al 0.8 CoCrFeNi/Al composites fabricated by deformation-driven metallurgy via incorporating high-energy ball milling pretreatment

항공기에서 전기 자동차에 이르기까지 모든 분야를 위한 더 가볍고 강한 재료를 향한 끊임없는 추구 속에서, 과학자들은 오랫동안 알루미늄에 주목해 왔습니다. 알루미늄은 가벼움과 강도의 우수한 균형을 제공하는 금속이지만, 가장 까다로운 용도에 사용하기 위해서는 보강이 필요합니다. 알루미늄에 이러한 보강을 제공할 수 있는 유망한 방법 중 하나는 고엔트로피 합금이라 불리는 특수 금속 클래스의 미세한 입자들을 혼합하는 것입니다. 이것들은 일반적인 금속과는 다릅니다. 여러 가지 서로 다른 원소들의 복잡한 혼합물로, 이들이 결합하면 믿을 수 없을 정도로 강인하고 부식에 강하며 극한의 열을 견딜 수 있는 재료를 만들어냅니다. 그러나 문제는 이 두 재료를 결합하는 데 있습니다. 만약 고엔트로피 합금 입자가 너무 크거나 서로 뭉치게 되면, 알루미늄 내부에 약점을 만들어 최종 제품이 응력 하에서 파손되게 만듭니다. 목표는 이 보강 입자들을 알루미늄 전체에 매우 미세하고 고르게 분산시켜, 금속을 취하게 만들지 않으면서도 변형에 저항하는 균일한 방패 역할을 하게 하는 것입니다.

상하이 항공우주 장비 제조사(Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer)와 하얼빈 공업대학교의 연구진은 변형 유도 금론(deformation-driven metallurgy)이라 불리는 공정을 정교화함으로써 이 과제를 해결했습니다. 이 공정은 본질적으로 금속을 녹이지 않고 분말 상태에서 제조하는 방식으로, 강한 압력과 마찰을 사용하여 재료들을 하나의 고체 블록으로 혼합하는 것입니다. 최근 발표된 연구 논문에서 연구팀은 중요한 첫 단계로 고에너지 볼 밀링(high-energy ball milling)을 이용한 격렬한 전처리를 도입했습니다. 강철 공들과 알루미늄 및 고엔트로피 합금 분말이 담긴 무거운 드럼을 상상해 보십시오. 드럼이 회전함에 따라 공들은 엄청난 힘으로 분말을 들이받으며, 입자들을 으깨고 평평하게 만들며 반복적으로 용접합니다. 연구진은 완벽한 결과를 얻기 위해 이 드럼을 얼마나 오래 회전시켜야 하는지 확인하고자 했습니다. 그들은 분말이 어떻게 변화하는지, 그리고 그러한 변화가 최종 알루미늄 복합재의 강도에 어떤 영향을 미치는지 관찰하기 위해 15시간에서 30시간에 이르는 다양한 밀링 시간을 테스트했습니다.

결과는 명확한 변화의 서사를 보여주었습니다. 밀링 시간이 증가함에 따라, 크고 불규칙했던 고엔트로피 합금 덩어리들은 점차 훨씬 더 미세하고 균일한 입자로 부서졌습니다. 초기에는 입자들이 비교적 크고 불균일하게 분포되어 있었으나, 25시간 동안 밀링을 거친 후에는 0.5 마이크로미터 미만의 아주 작은 등축 결정립(equiaxed grains)으로 정제되었습니다. 이러한 정제는 단순히 크기에 관한 것만이 아니라, 입자들이 알루미늄 내에 어떻게 박혀 있는지에 관한 것이기도 했습니다. 격렬한 분쇄 과정은 알루미늄 분말의 결정 구조 내에 전위(dislocation)라고 불리는 수많은 결함을 도입했습니다. 이러한 결함은 씨앗 역할을 하여, 나중에 이 분말이 고체 블록으로 단조될 때 알루미늄이 더 미세하고 견고한 결정립 패턴으로 내부 구조를 재편하도록 유도했습니다. 연구진은 밀링이 길어질수록 알루미늄 결정립이 더 조밀하고 균일한 배열로 재결정화될 수 있다는 것을 발견했는데, 이는 강한 재료를 만드는 데 필수적인 요소입니다.

연구팀이 이러한 전처리된 분말을 고체 블록으로 단조했을 때, 성능의 차이는 극명했습니다. 짧은 기간 동안 밀링된 분말으로 만든 복합재는 큰 입자들이 균열의 시작점이 되어 약점을 보였습니다. 그러나 25시간 동안 처리된 샘플은 놀라운 강도와 유연성의 조합을 보여주었습니다. 이 샘질들은 영구 변형이 시작되기 전까지 282 메가파스칼의 힘을 견뎌냈으며, 파괴되기 전까지 341 메가파스칼까지 버텨냈고, 동시에 12.4%의 연신율을 보였습니다. 이 연신율은 매우 의미 있는 수치입니다. 이는 재료가 유리처럼 산산조각 나는 것이 아니라, 파괴되기 전 에너지를 흡수하며 휘어지고 늘어났음을 의미합니다. 성공적인 샘플들의 파단면은 미세한 딤플(dimple)이 균일한 패턴을 이루고 있었는데, 이는 재료가 약한 지점에서 찢어지는 대신 균일하게 늘어났음을 나타냅니다. 반면, 밀링 시간이 적었던 샘플들은 조기에 균열을 유발하는 크고 불규칙한 입자들을 보여주었습니다.

이 연구는 볼 밀링 전처리가 이러한 첨단 복합재의 특성을 맞춤형으로 조절할 수 있는 강력한 도구임을 확인시켜 줍니다. 연구진은 밀링 공정의 지속 시간을 조정하는 것만으로도 보강 입자의 크기와 알루미늄 매트릭스의 내부 구조를 제어할 수 있었습니다. 실험 결과, 25시간이라는 시점이 입자가 완벽하게 분산될 만큼 충분히 작아지고, 연성을 크게 희생하지 않으면서도 강도를 극대화할 수 있도록 알루미늄 구조가 충분히 정제되는 '스위트 스팟(sweet spot)'인 것으로 나타났습니다. 이러한 접근 방식은 항공우주용으로 사용될 만큼 가벼우면서도 비행의 혹독한 조건을 견딜 수 있을 만큼 강한 알루미늄 기반 재료를 만들기 위한 실질적인 경로를 제시합니다. 이 작업은 적절한 준비가 뒷받침된다면 고엔트로피 합금이 알루미늄을 보강하는 잠재력을 완전히 실현하여, 단순한 분말의 혼합물을 현대 공학의 극한 요구 사항을 견딜 수 있는 재료로 바꿀 수 있음을 보여줍니다.