3D 프린팅은 복잡한 구조와 경량성을 갖춘 금속 부품을 손쉽게 생산할 수 있어, 경량화와 집적화를 추구하는 차세대 고성능 장비에 매우 매력적인 기술입니다. 그러나 3D 프린팅으로 제작된 금속 부품은 일반적으로 피로 성능이 매우 떨어져 반복 하중 하에서 피로 균열이 발생하기 쉽다는 치명적인 결함을 가지고 있으며, 이는 핵심 응용 분야에 심각한 제약을 초래합니다. 최근 중국과학원 금속연구소(IMR, CAS)의 장저펑(Zhang Zhefeng) 연구원과 장전쥔(Zhang Zhenjun) 연구원이 이끄는 연구팀은 3D 프린팅을 위한 새로운 후처리 기술인 NAMP 기술을 개발했습니다. 이 NAMP 기술로 제작된 티타늄 합금 소재는 다양한 응력비 조건에서 전례 없는 피로 저항성을 보였으며, 종합적인 피로 성능은 기존의 모든 금속 소재를 능가하여 고정밀 및 첨단 분야에서 3D 프린팅 기술 적용의 주요 장애물을 제거했습니다. 관련 연구 결과는 Science Advances에 게재되었습니다.
2024년 초, 연구팀은 재료의 내부 구조 및 결함을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 NAMP 공정을 개발하였다. 이 공정으로 제조된 티타늄 합금 중 가장 널리 사용되는 합금인 Ti-6Al-4V는 피로를 유발하는 주요 원인인 미세기공(micropores)과 조대한 미세조직(coarse microstructures)을 모두 제거할 수 있다. 이 신소재는 ‘장력-장력(tension-tension)’ 응력비 조건 하에서 ‘비피로강도(specific fatigue strength)’ 분야의 세계 기록을 갱신하였다.
그러나 항공기 엔진 블레이드 및 착륙 장치와 같은 실제 부품은 '인장-인장'뿐 아니라 '인장-압축'과 같은 극도로 복잡한 응력 조건에 노출되며, 이는 응력비가 가변적임을 의미합니다. 서로 다른 응력비는 재료 내부에서 서로 다른 손상 메커니즘을 유발할 수 있습니다. 기존 티타늄 합금의 미세조직은 종종 한계를 지니는데, 특정 응력비 하에서는 우수한 성능을 발휘하지만 응력비가 변하면 성능이 저하될 수 있습니다. 이로 인해 모든 작동 조건에서 우수한 성능을 보이는 재료를 제조하는 것이 매우 어려워집니다.
이보다 더 복잡한 과제에 직면하여, 연구팀은 피로 균열이 발생하기 쉬운 티타늄 합금의 여러 약점 부위와 그 발생 조건이 되는 응력 모드를 규명하였다. NAMP 공정을 활용해 거의 기공이 없는 3D 프린팅 구조물을 제작함으로써, 모든 약점 부위를 동시에 최적화할 수 있었다. 이 3D 프린팅 티타늄 합금은 전 응력비 조건 하에서도 높은 피로 강도를 유지하는 특성을 갖는다.
실험 데이터에 따르면, 다양한 응력비 조건에서 수행된 피로 시험에서 이 신소재의 피로 강도는 기존 모든 티타늄 합금을 초월할 뿐만 아니라, 그 '비피로 강도(specific fatigue strength)' 역시 모든 금속 재료를 종합적으로 능가하여 새로운 세계 기록을 세웠다.
EN