美연구진, 금속 마그네슘·나노입자 결합한 초합금 개발…초경량·고강도

(왼쪽)일그러진 모양의 순수 금속. (오른쪽)금속 마그네슘과 실리콘 카바이드 나노입자와 결합한 새 금속. 중앙 둥근기둥 모양의 미세융모는 모두 직경 약 4마이크로미터다. [사진=미국 UCLA 제공]

아주경제 최서윤 기자 = 미국 연구진이 항공기·우주선·자동차 등에 쓰일 수 있는 아주 가볍고 강도가 뛰어난 초합금을 발명했다. 

24일(현지시간) 국제 학술지 네이처에 따르면 샤오춘 리 캘리포니아주립대(UCLA) 기계항공우주공학부 교수가 마그네슘과 세라믹 실리콘 카바이드 나노입자를 결합한 초합금을 개발했다. 초합금(Superalloy)은 내열강(철을 주성분으로 하는 내열합금)의 사용 한도 이상인 650~820℃에서 내산화성, 고온강도를 유지하는 합금을 총칭하는 말이다. 

연구진이 개발한 기술은 금속의 구조를 흐트러뜨리지 않고 이 속에 나노입자를 높은 농도로 균일하게 스며들도록 하는 것이다. 이 기술을 이용해 무게 대비 강성 비율(stiffness-to-weight ratio)이 매우 높은 합금을 만들 수 있었다고 연구진은 설명했다.

리 교수는 보도자료에서 “나노입자를 이용해 금속의 소성(塑性)을 훼손하지 않고도 금속, 특히 마그네슘과 같이 가벼운 금속의 강도를 높일 수 있으리라는 제안이 나온 적이 있다”면서도 “용융(鎔融) 상태의 금속 세라믹 나노입자를 퍼뜨려 넣는 일은 지금까지 어떤 그룹도 하지 못했다”고 설명했다.

‘소성’은 고체에 외력을 가해 변형시킨 후 그 외력이 없어지더라도 그 변형이 그대로 남는 성질을 말한다.

이런 방식으로 처리한 마그네슘 나노입자 합금은 실험 결과 강도, 강성, 소성, 고온에서의 내구성이 향상됐다는 것을 확인했다고 연구진은 말했다.

이전 연구들에서는 금속에 세라믹 나노입자를 섞으면 나노입자가 뭉치는 경향이 있어 강도는 높아졌지만 소성이 약화하는 경향이 있었다. 리 교수 연구팀은 용융 상태의 마그네슘 아연 합금에 나노입자를 퍼뜨려 넣는 방법으로 이 문제를 해결했다.

연구진은 “마그네슘은 비교적 흔한 금속이고 이번 연구에서 쓰인 생산 기술은 손쉽게 규모를 키울 수 있다”며 “이런 방식으로 만든 합금을 실제 산업에 응용하는 것은 비교적 빨리 실현될 수 있을 것”이라고 강조했다.