고엔트로피 합금은 여러 금속 원소가 거의 동등하게 혼합된 것으로 알려져 있습니다. 강도, 인성, 고온 저항 및 내식성 측면에서 동시에 우수한 성능을 발휘할 수 있습니다. 이는 항공우주 및 에너지 분야의 차세대 핵심 구조 재료로 간주됩니다. 그러나 이들의 제조에는 고르지 않은 혼합 및 구조의 "반점"과 같은 문제가 항상 직면해 있었습니다.미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구팀이 최근 금속 3D 프린팅을 위한 새로운 레이저 경로 제어 방법을 제안했다. 인쇄 공정 중 용융 풀의 "미세 교반"을 통해 원자 수준에서 고엔트로피 합금의 혼합 효율을 성공적으로 향상시키는 동시에 복잡한 구조의 부품을 직접 인쇄했습니다.

전통적인 합금은 종종 단일 금속을 매트릭스로 사용하고 성능을 향상시키기 위해 소량의 다른 요소로 보완됩니다. 예를 들어, 철에 탄소를 조금만 첨가하면 강도가 크게 향상된 강철을 얻을 수 있고, 니켈과 크롬을 첨가하면 내식성이 좋은 스테인레스강을 만들 수 있습니다. 엔지니어링 응용 분야에 대한 수요가 계속 증가함에 따라, 특히 강도, 내구성 및 고온 저항에 대한 포괄적인 요구 사항이 점점 더 엄격해지는 터빈, 가스 터빈, 우주선 및 기타 시나리오에서 대략 비슷한 비율의 5개 이상의 금속을 사용하는 고엔트로피 합금 시스템이 광범위한 관심을 받기 시작했습니다. 그러나 금속마다 밀도, 융점 및 응고 거동이 크게 다릅니다. 고온에서 일시적으로 융합될 수 있더라도 냉각 과정에서 쉽게 분리되어 상당히 다른 특성을 갖는 영역을 형성하고 재료의 전반적인 성능을 약화시킬 수 있습니다. 연구에 참여한 NIST 물리학자 Fan Zhang은 고엔트로피 합금이 장점을 활용하려면 원자 규모에서 충분하고 균일한 혼합을 달성해야 하며, 이는 제조 공정에 대한 요구 사항이 더 높다고 강조했습니다.

현재 실험실에서 고엔트로피 합금을 제조하는 일반적인 경로에는 아크 용융, 분말 야금 등이 있습니다. 연구용 샘플이나 간단한 잉곳을 얻을 수 있지만 복잡한 내부 공동과 조정 가능한 국부 조성을 가진 최종 부품을 직접 제조하는 것은 어렵습니다. 금속 적층 제조의 레이저 선택적 융합(Laser Powder Bed Fusion) 기술은 이론적으로 다양한 금속 분말을 분말 베드에 혼합하고 층별 용융 및 적층을 통해 복잡한 기하학적 형태의 부품을 만들 수 있습니다. 따라서 이는 고엔트로피 합금의 복잡한 구성 요소를 구현하는 잠재적인 경로로 간주됩니다. 기존 공정에서는 고출력 레이저가 얇은 분말층 표면의 선형 주사 궤적을 따라 이동하여 수명이 짧은 작은 용융 풀을 형성한 후 급속 냉각되어 응고됩니다. 이 프로세스는 일반적으로 단일 금속 또는 단순한 합금의 성능을 보장하기에 충분합니다. 그러나 여러 원소의 완전한 혼합이 필요한 하이엔트로피 합금의 경우 용융 풀의 체류 시간이 너무 짧고 내부 흐름이 부족하여 다양한 금속 성분을 균일하게 분산시키는 데 어려움이 있습니다.

NIST 팀이 제안한 솔루션은 용융 풀 내부의 흐름 및 교반 과정을 직접 참조합니다. 즉, 인쇄 과정에서 금속 용융 풀을 적극적으로 "교반"하여 응고되기 전에 여러 요소를 최대한 완전히 혼합합니다. 하드웨어 수준에서 장비를 대폭 수정하는 대신 소프트웨어 수준에서 레이저 이동 방법을 다시 계획하여 전통적인 직선 스캐닝 궤적을 작은 타원형 폐곡선으로 구성된 "루프" 경로로 다시 작성하여 레이저가 극도로 작은 공간에서 반복적으로 루프를 그릴 수 있도록 했습니다. 이 레이저 궤적은 레이저를 단순한 열원에서 미세한 "교반 도구"로 변환하여 용융 풀 내부에서 더 강한 대류 및 교반 효과를 생성하여 짧은 시간 내에 다양한 금속을 보다 완전하고 균일하게 혼합하는 것과 같습니다. 기존 상업용 금속 3D 프린팅 소프트웨어에는 아직 유사한 기능이 없기 때문에 연구팀은 이러한 복잡한 타원형 스캔 패턴을 생성하기 위한 새로운 도구 경로 소프트웨어를 개발했습니다.

이 아이디어의 효과를 검증하기 위해 연구원들은 테스트를 위해 매우 어려운 재료 조합을 선택했습니다. 즉, 고밀도 내화성 고엔트로피 합금 RHEA-19와 경량 티타늄 합금을 나란히 배치하고 레이저가 타원형 궤적을 따라 두 재료의 경계를 가로질러 스캔하도록 하는 것입니다. 두 합금은 밀도와 열적 특성에서 뚜렷한 차이를 가지고 있습니다. 이는 기존의 용융 풀 조건에서 쉽게 상 분리되며 균일한 새로운 합금을 형성하기 어렵습니다. 따라서 "엄격한 시험 문제"에 매우 적합합니다. 이러한 배열을 통해 팀은 명확한 경계면을 가진 2상 구조를 형성하는 것이 아니라 레이저 "교반" 작용 하에서 경계에서 용융 풀이 두 재료를 새롭고 균일한 합금으로 혼합할 수 있는지 관찰하기를 희망합니다.

용융 풀 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하려면, 응고된 샘플을 사후에 관찰하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 왜냐하면 용융 및 응고 과정이 1초 미만의 시간 규모로 일어나고, 고밀도 금속은 가시광선에 불투명하여 기존 이미징 방법으로는 내부를 "투시"하기 어렵기 때문입니다. 이를 위해 연구진은 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)에 있는 Advanced Photon Source(Advanced Photon Source) 대형 싱크로트론 방사선 시설에 의존했습니다. 이 경기장 크기의 원형 가속기는 금속 샘플을 관통하고 내부 구조 정보를 얻는 데 적합한 매우 밝은 X선 빔을 제공할 수 있습니다. 연구팀은 X선 회절 기술을 이용해 용융 및 응고 과정에서 물질 내부의 X선 산란 패턴을 실시간으로 기록하고, 이를 통해 여러 단계의 원자 배열의 진화 궤적을 분석하고, 용융 풀의 동적 구조를 시계열 이미지로 구축했다. 동시에 그들은 합금 구조가 예상된 균일성과 성능 잠재력을 달성했는지 확인하기 위해 전자현미경을 사용하여 최종 응고된 재료를 자세히 관찰했습니다.

실험적 증거에 따르면 레이저 "교반" 전략은 혼합하기 어려운 재료 조합을 개선하여 경계 영역이 단순히 층을 이루거나 덩어리진 것이 아니라 보다 균일하게 혼합된 새로운 합금 구조를 형성한다는 것을 보여줍니다. 더 중요한 것은 레이저 경로 설계가 성형 형상에 영향을 미칠 뿐만 아니라 합금 형성 방법을 제어하고 여러 요소의 혼합을 촉진하는 핵심 공정 매개변수로 사용될 수도 있다는 연구 결과입니다. 이는 적층 제조 방법을 사용하여 새로운 합금 시스템을 개발하기 위한 새로운 제어 차원을 제공합니다. 종합하면, 팀이 제안한 기술 솔루션은 기존 레이저 분말층 융합 플랫폼을 사용하여 소프트웨어 정의 궤적 제어를 통해 동일한 공정에서 고엔트로피 합금 원료 준비와 복잡한 최종 부품 형성을 동시에 달성합니다.

장기적인 관점에서 볼 때, 이 작업의 영향은 특정 ​​"까다로운" 고엔트로피 합금을 인쇄하는 것 이상입니다. 현재 금속 3D 프린팅은 사전 합금된 단일 분말에 의존하는 경우가 많습니다. 서로 다른 합금을 만든다는 것은 그에 상응하는 다양한 분말을 준비하는 것을 의미하며 이는 비용, 물류 및 공정 적응이 어렵습니다. NIST가 제안한 "레이저 혼합" 아이디어는 또 다른 가능성을 제시합니다. 동일한 장비에 상대적으로 기본적인 금속 분말을 넣고 레이저 경로 및 공정 매개변수 제어를 통해 요구에 따라 장비 내부에서 혼합합니다. 이는 몇 가지 잉크를 혼합하여 풍부한 색상을 생성하는 컬러 프린터와 유사하며 적층 제조 플랫폼을 현장 "제형"과 현장 성형을 통합하는 합금 공장으로 만듭니다. 성숙한 응용 분야가 실현되면 인쇄 장비는 분말 유형 및 재고 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 단일 부품 내 구성 요소의 그라데이션 설계도 실현할 수 있습니다. 예를 들어 터빈 블레이드의 고온 영역에서 내열성이 더 높은 합금 공식을 사용하고, 서로 다른 재료 구성 요소를 용접하거나 기계적으로 연결할 필요 없이 구조적 하중 지지 또는 중량 감소 영역에서 강도와 밀도의 균형을 맞추는 공식을 사용합니다.

물론 이 기술은 아직 연구 및 검증 단계에 있으며 즉시 사용할 수 있는 산업용 솔루션은 아닙니다. 용융 풀에서 다양한 합금 시스템의 거동은 매우 다릅니다. 믹싱은 하나의 링크일 뿐입니다. 엔지니어링 응용 분야에서는 균열 경향, 기공 결함, 잔류 응력, 냉각 속도, 분말 품질 및 후속 열처리와 같은 여러 변수도 동시에 제어해야 합니다. 또한, 상용 소프트웨어 생태계와 장비 제어 시스템도 산업 시나리오에서 정기적으로 이러한 복잡한 레이저 도구 경로 및 합금 혼합 전략을 지원하기 위해 후속 조치를 취해야 합니다. 관련 연구 결과가 "적층 제조" 저널에 게재되어 고엔트로피 합금 및 복잡한 구조 부품의 미래 적층 가공을 위한 실증적 기반과 함께 새로운 공정 방향을 제시하고 있습니다.