결정구조에 숨겨진 초합금의 비밀은?

지난해 한국과학기술원은 낮은 온도에서도 연성이 줄어들지 않는 극저온합금 'CAM-1'을 세계에서 최초로 개발해 화제를 모은 일이 있다. CA-M-1은 기본의 극저온강과 달리 니켈대신 망간을 썼다.

극한조건을 견뎌내는 여러가지 첨단금속재료 중 가장 대표적인 것은 초합금(superalloy)이라 불리우는 니켈기 합금이다. 극저온합금을 비롯하여 초내열합금, 초강력강이 모두 초합금이다.

니켈·알루미늄 초합금의 구조

초합금으로 세계를 선도해가는 있는 기업은 미국의 INCO사이다. 이 회사가 개발한 초합금중 가장 높이 평가되는 것이 'MA6000'. 니켈에 크롬, 코발트, 몰리브덴, 텅스텐, 티타늄 등을 첨가한 금속상(相)에 0.5~1.1%의 산화이리듐입자를 분산시켜 제조한 이 초내열 합금은 시험단계에서 1천1백℃의 고온에서 1㎜당 15㎏의 하중을 1천시간동안 견뎌냈다고 한다. 금속재료로서 1천1백℃의 내열성을 기록한 예는 아직 없다.

일반적인 합금의 경우에는 정해진 결정구조를 따라 원자를 배열하기 때문에 각 원자면은 어디에서도 모두 동일하게 서로 결합돼있다. 보통의 금속재료는 많은 결정립(粒)의 집합체이다. 서로 다른 결정립의 결정구조가 차례로 배열되어 있는 것이 아니라, 각 결정립의 내부에서 원자가 배열되어 모든 결정립들이 동일한 결정구조를 형성하는것이다.

이에반해 초합금의 경우에는 원자는 두종류 이상의 개별적 상(相) 또는 배열방식으로 나뉘어진다. 니켈기 합금에서는 이두상(相)을 감마(γ)및 감마프라임(γ')으로 부른다. 보통 각설탕형의 가느다란 감마프라임상(相)이 감마모재(母材)속에 분산되어 포함되어 있다. 초합금이 일반합금에 비해 변형이 어렵고 강한 이유는 감마프라임 상이 존재하기 때문이다. 즉 초합금내의 전위가 감마상에서는 비교적 쉽게 이동하지만 감마프라임상에 의해 멈춰져 이동할 수 없게 되는 것이다.

초합금을 만들려면 니켈을 녹인다음 거기에 알루미늄을 섞는다. 보통 내식성(耐食性)을 개선하기 위해 크롬을 넣고 다시보다 강하게 하기 위해 티타늄 및 텅스텐 등의 금속을 소량 첨가한다. 이렇게 해서 용융된 합금을 서서히 냉각시킨다. 감마상의 응고점은 감마프라임상보다 높기 때문에 응고된 합금은 감마상의 덩어리이다. 이 응고상태의 것을 더욱 냉각시키면 미세한 입방체상(立方體狀)의 감마프라임이 감마모재 주위에 형성되기 시작한다.

INCO사의 초내열합금 MA754로 만든 터빈날개

최근 수년간 니켈·알루미늄 초합금에 대한 금속학자들의 관심을 크게 끈 움직임이 있었다. 순(純)감마프라임 Ni3Al의 강도가 온도상승에 따라 현저하게 증대한다는 것이다. 이 효과는 연구자들의 흥미를 끌게 되었고 신재료개발에 이용되게 되었다. 하지만 수많은 실험은 실패하고 말았다. 감마프라임이 대단히 부서지기 쉬웠기 때문이다.

순감마프라임 Ni3Al의 시편을 가공하고자 할 때, 각 결정립의 강도는 크더라도 결정과 결정의 계면(界面)이 붕괴되어 시편전체가 가루로 부서져버리기 때문이다. 그런데 1979년 일본에서는 시료에 붕소를 미량 첨가하면 취성파괴(脆性破壞)를 방지할수 있다는 사실이 발견됐다. 붕소는 결정립계에 편재하면서 어떤 이유에서인지 입계를 붕괴시키지 않으면서 변형시킨다는 것이다. 그 확실한 메카니즘은 아직은 분명하게 규명되지 않았지만 현재 왕성한 연구가 진행중이다. 겨우 0.02%의 붕소 첨가가 감마프라임 Ni3Al의 취성(脆性)을 연성(延性)으로 전환시킨 것이다.

니켈기 합금, 특히 감마프라임상을 다량포함하는 것은 고온에서의 강도가 커서 1천 ℃의 온도에도 견딘다. 항공기용 가스터빈엔진에서는 내열 니켈기합금이 공기의 온도·압력이 최고인 콤프레서부(部)의 콤프레서블레이드에 사용된다. 이 부분은 연소실에 가장 가까운 곳이다. 또한 이 합금은 고온의 배기가스를 분출하는 터빈부의 블레이드에도 사용된다.