획기적인 구리 합금으로 전례 없는 고온 성능 달성

애리조나 주립대학교, 미국 육군 연구소(ARL), 리하이 대학교, 루이지애나 주립대학교의 연구진은 뛰어난 열 안정성과 기계적 강도를 갖춘 획기적인 고온 구리 합금을 개발했습니다.

연구팀은 저널 Science 에 새로운 구리 합금에 대한 연구 결과를 게재했으며, 녹는점 근처의 온도에서도 조립화와 크립 변형에 대한 놀라운 저항성을 보이는 새로운 벌크 Cu-3Ta-0.5Li 나노결정 합금을 소개했습니다.

"우리의 합금 설계 접근 방식은 Ni 기반 초합금에서 발견되는 강화 메커니즘을 모방합니다." 물질, 운송 및 에너지 공학 학교의 Ira A. Fulton 공과 대학 교수이자 이 연구의 공동 저자인 Kiran Solanki가 말했습니다.

현재, 뛰어난 강도, 내식성, 고온 안정성으로 유명한 니켈 기반 초합금은 항공우주 부품, 가스터빈 엔진, 화학 처리 장비 등 이러한 특성이 중요한 응용 분야에서 주로 사용되는 소재입니다.

새로운 소재는 특히 항공우주 및 방위 산업 전반에 필요합니다. 고속 비행이나 무기 배치에 필요한 강도, 내구성 및 내열성을 생각해 보세요. 이는 연구 커뮤니티가 고충격 기술의 경계를 계속 넓히도록 자극합니다.

"우리는 틀에서 벗어난 방식으로 엔지니어링 문제를 해결하기 위해 무엇을 할 수 있는지 비판적으로 생각해야 합니다." 솔란키가 말했습니다. "결국, 저는 제가 모르는 것에 대해 더 궁금해합니다."

솔란키의 주요 연구 관심사는 여러 길이 척도에 걸친 고급 소재의 구조와 속성 관계를 조사하는 것입니다. 그의 목표는 방사선, 고속, 피로를 포함한 극한 응용 분야를 위한 고급 다기능 소재를 제조하고 기계적 응력 또는 크립 하에서 느린 변형을 방지하는 것입니다.

"우리가 우리 몸 안을 들여다보면 암에 대한 세포 돌연변이의 지문을 찾으려고 노력합니다." 솔란키가 말했다. "마찬가지로, 구조적 재료는 방사선이나 열과 같은 어떤 사건에 노출되면 고유한 지문을 가지게 됩니다. 그들은 실패하거나 제대로 작동하지 못하게 하는 지문을 남길 것입니다."

새롭게 설계된 합금은 탄탈륨이 풍부한 원자 이중층으로 둘러싸인 정밀하게 정렬된 구리 리튬 침전물을 특징으로 하는 독특한 나노스케일 구조 덕분에 뛰어난 특성을 가지고 있습니다.

이전에 혼합되지 않았던 Cu-Ta 시스템에 정확히 0.5%의 리튬을 추가하면 침전물 형태가 변경됩니다. Cu-Ta 시스템의 구형 침전물이 열 및 기계적 성능을 크게 향상시키는 안정적인 입방형 구조로 변경됩니다.

"그리고 이 경우, Ta의 안정한 이중층을 가진 구리 리튬 침전물을 갖는 것은 우리가 고온 지문을 변경하여 실패할 수 있는 경우입니다."라고 솔란키는 말했습니다. "지문을 조작함으로써, 우리는 고온에 장기간 노출된 후에도 강도와 구조적 무결성을 유지하는 구리 합금을 개발했습니다."

구리 초합금 연구의 주요 결과는 다음과 같습니다.

• 향상된 열 안정성: Cu-3Ta-0.5Li 합금은 항복 강도의 손실을 최소화하면서 800°C에서 10,000시간 이상 안정성을 유지합니다.
• 고온 강도: 이 합금은 기존 상업용 구리 합금보다 성능이 뛰어나 실온에서 1120MPa의 항복 강도를 달성했습니다.
• 뛰어난 크리프 저항성: Cu-Ta-Li는 기존 Cu-Ta 합금에 비해 크리프 변형이 현저히 낮아 고응력, 고온 환경에 이상적입니다.

이 발견은 항공우주, 에너지 및 방위 산업 분야에서 차세대 구리 합금을 개발하는 새로운 길을 열어줍니다. 잠재적인 용도로는 열교환기, 고성능 전기 부품, 무기 및 극한 조건에서 내구성이 필요한 구조 재료가 있습니다.

"이 연구는 합금 설계에 대한 이해를 증진시킬 뿐만 아니라 극한 환경을 견딜 수 있는 재료의 길을 열어줍니다." 연구의 또 다른 ARL 공동 저자인 크리스 달링이 말했습니다. "합금에서 나노구조화를 통한 지문 조작은 고온 재료 개발에 대한 접근 방식에 혁명을 일으킬 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250327164541.htm