목차
내화 합금의 특성 및 중요성
텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈륨, 레늄, 바나듐과 같은 재료로 만든 내화 합금은 항공우주 산업의 극한 응용 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 항공우주원자력 기술, 고온 산업, 의료 기술 및 전자 제품(1). 이러한 고성능 소재는 혁신적인 기술에 필수적인 탁월한 특성을 지니고 있습니다.
이러한 합금의 특징은 다음과 같습니다.
- 특히 1200°C 이상의 작동 온도에 적합합니다.
- 융점은 대부분 2000°C 이상
- 높은 강도와 마모, 크리프 및 왜곡에 대한 탁월한 내성
- 뛰어난 온도 및 부하 저항
이러한 소재는 뛰어난 특성에도 불구하고 연구자와 개발자에게 큰 과제를 안겨줍니다. 고전적인 합금 은 가공성이 떨어지고 밀도가 높으며 무엇보다도 산화 문제가 발생하는 경우가 많습니다(2). 특히 텅스텐과 몰리브덴은 공기나 산화 대기와 접촉하면 휘발성 산화물을 형성하고, 탄탈륨과 니오븀은 견고한 보호층을 형성하지만 산화에 취약합니다.
혁신적인 제조 프로세스
내화성 금속의 가공은 일반적으로 용융 야금으로는 더 이상 가공할 수 없기 때문에 전문화된 제조 공정이 필요합니다. 분말 야금 공정은 산업 표준으로 자리 잡았으며 다공성, 구조 및 합금 조성을 목표에 맞게 조정할 수 있습니다(3).
최신 분말 야금 변형은 상당한 이점을 제공합니다:
- 매우 조밀하고 미세하게 접합된 소재를 위한 열간 등방성 프레스(HIP)
- 낮은 처리 온도의 스파크 플라즈마 소결(SPS)
- 공정 관련 산소 섭취량 최소화
- 프레스 및 소결 시 손실이 최소화되어 재료 활용도가 높음
3D 프린팅의 적층 제조 레이저 파우더 베드 융합 또는 전자빔 용융을 이용한 내화 합금의 적층 제조는 복잡한 형상과 맞춤형 부품에 대한 잠재력을 제공합니다. 최적화된 분위기 또는 현장 반응 제어와 같은 공정 제어의 발전으로 적용 범위가 지속적으로 확장되고 있습니다(4). 최근 연구에서는 표적화된 현장 합금 형성과 탄화물 및 산화물로 국부적으로 보강하여 부품 품질을 향상시켰습니다.
내화성 고엔트로피 합금(RHEA)
여러 가지 주요 성분으로 구성된 고엔트로피 합금, 특히 HfNbTaZr 또는 MoNbTaVW와 같은 내화성 고엔트로피 합금(RHEA)은 극한 환경을 위해 특별히 개발되고 있습니다(4). 이러한 혁신적인 소재는 기존 합금과 구별되는 특징적인 특성을 나타내며 고온 기술에서 새로운 가능성을 열어줍니다.
RHEA는 매우 높은 항복 응력과 뛰어난 내식성을 나타내는 단상 고체 용액 형성이 선호되는 것이 특징입니다. 특히 주목할 만한 점은 방사선에 대한 내성이 뛰어나 원자력 응용 분야에 적합하며 방사선 손상 시 자가 치유 특성이 있다는 점입니다. 이러한 특성은 다양한 합금 원소 간의 복잡한 상호 작용으로 인해 독특한 미세 구조로 이어집니다.
최신 디자인 전략은 점점 더 컴퓨터 지원 방법을 활용하고 있습니다:
- 최적의 구성을 예측하는 머신 러닝
- 구조 분석을 위한 몬테카를로 시뮬레이션
- 자산 최적화를 위한 멀티스케일 모델링
특히 Mo, Ta, Nb, W를 기반으로 하는 RHEA는 뛰어난 내방사선성으로 인해 원자력 기술 응용에 큰 잠재력을 보이며 차세대 원자로 소재가 될 수 있습니다.
산업용 애플리케이션 및 사용 분야
내화 합금은 특수한 특성으로 인해 다양한 산업 분야에 없어서는 안 될 필수 소재입니다. 터빈 블레이드, 로켓 구조물, 밸브 또는 내열 방사선 차폐와 같은 부품은 이러한 특성의 직접적인 이점을 누릴 수 있습니다(4). 고엔트로피 합금은 1200°C 이상의 작동 온도에서 기존 니켈 기반 초합금에 비해 상당한 이점을 보여줍니다.
특수 적용 분야는 다음과 같습니다.
- 항공우주: 터빈 블레이드, 로켓 구조물
- 원자력 기술: 방사선 차폐, 구조 부품
- 의료 기술: 생체 적합성 임플란트(탄탈륨, 니오븀)
- 전자: 이미징 시스템, 전기 접점
- 고온 산업: 복사 히터, 내열 밸브
탄탈륨과 니오븀은 생체 적합성, 내식성, 방사선 불투명성 때문에 임플란트와 전자 부품에 특히 많이 사용됩니다. 텅스텐과 몰리브덴은 이미징 시스템과 열 방출기 또는 전기 접점으로 사용됩니다(5).
분말 야금과 적층 제조 비교: 분말 야금 대 적층 제조
두 제조 공정 모두 텅스텐과 몰리브덴 합금에 특정한 장단점을 제공하며, 응용 분야와 부품 형상에 따라 특별히 사용됩니다. 분말 야금을 사용하면 재료 손실을 최소화하면서 고순도 및 균일한 미세 구조를 가진 조밀하고 미세한 입자의 합금을 생산할 수 있습니다. 프레스 및 소결은 재료 손실을 최소화하여 원자재 비용을 절감하는 동시에 합금 구성을 잘 제어할 수 있습니다. 분말의 목표 선택 및 혼합을 통해 TZM(몰리브덴-티타늄-지르코늄-탄소)과 같이 혼합하기 어려운 시스템에서도 재료 특성을 정밀하게 정의할 수 있습니다. 또한 이 방법은 치수 편차가 좁은 동일한 형상의 중소형 부품을 대량 생산하는 데 매우 적합합니다.
반면 적층 제조는 분말 야금으로는 실현이 불가능하거나 비용이 많이 드는 복잡한 형상, 내부 채널 및 생체 공학 구조를 구현할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 융용 또는 바인더 제팅과 같은 적층 공정은 혁신적인 부품 설계를 개발하는 데 결정적인 이점을 제공하는 기하학적 유연성을 제공합니다. 개별 부품과 소형 시리즈를 고가의 도구 없이 신속하게 구현할 수 있어 연구 및 프로토타입 개발에 이상적입니다. 복잡하거나 기능적으로 통합된 부품은 가공 및 조립이 더 이상 필요하지 않고 밀링 또는 펀칭 기능을 고려하지 않고도 설계를 최적화할 수 있으므로 훨씬 저렴하게 제작할 수 있는 경우가 많습니다.
그러나 두 공정 모두 상당한 기술적 과제에 직면해 있습니다. 결함 및 공정 제어는 두 기술 모두에서 최대한의 주의가 필요하며, 특히 텅스텐의 경우 높은 융점과 부서지기 쉬운 응고로 인해 균열 및 다공성 제어가 어렵습니다. 니켈이나 철과 같은 저용융 합금 성분의 기화로 인한 재료 손실은 용융 중에 제어할 수 없는 합금 손실로 이어질 수 있습니다. 일반적으로 탈분말화, 평활화 또는 후열 처리와 같은 후처리가 필요하며, 부품이 항상 전통적인 분말 야금 부품의 밀도 및 기계적 품질을 달성하지는 못합니다.
처리 과제에 대한 솔루션
적층 제조에서 분말을 사전 합금하면 니켈이나 철과 같은 휘발성 합금 원소가 이미 각 개별 분말 입자 내에 균일하게 통합되고 화학적으로 결합되어 있기 때문에 증발과 이에 따른 손실이 현저히 줄어듭니다(6). 사전 합금 분말을 사용하면 원하는 합금 조성이 용융물에 이미 설정되어 있으며, 완전히 용융된 합금을 분무하여 분말을 생산합니다.
기타 중요한 솔루션은 다음과 같습니다.
- 보호 코팅을 통한 내산화성 향상
- 알루미늄 또는 실리콘 도핑
- 혁신적인 표면 수정
- 대기를 제어하는 최신 적층 공정
- 컴퓨터 지원 방법 및 멀티스케일 시뮬레이션
산소 흡착 방지와 균일하고 미세한 구조의 생산은 정밀한 공정 제어와 최신 공정 기술을 통해 극복할 수 있는 주요 과제로 남아 있습니다.
결론
고응력 산업에서 내화 합금을 효율적으로 생산하고 적용하려면 첨단 분말 야금, 적층 제조 및 혁신적인 소재 설계의 상호 작용을 통해서만 달성할 수 있습니다. 내화 고엔트로피 합금은 원자력 기술 및 항공우주 분야의 극한 응용 분야에서 특히 잠재력을 발휘합니다. 가공 및 내산화성이라는 기존 과제에도 불구하고 표적 합금 개발, 보호 코팅 및 고도로 발달된 제조 공정은 이러한 고성능 소재를 새로운 응용 분야로 지속적으로 선도할 수 있는 방법을 제공합니다. 사전 합금화된 분말과 최적화된 공정 파라미터의 개발은 향후 산업적 활용에서 핵심적인 역할을 할 것입니다.
출처 목록
(1) Zhuo, L. 외: 내화성 고엔트로피 합금의 최근 진행 상황에 대한 검토. 재료 연구 및 기술 저널 33:1097-1129 (2024).
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785424021355
(2) 파치오니, G. 외: 연성 내화성 고엔트로피 합금 설계. Nature Reviews Materials (2025). https://www.nature.com/articles/s41578-024-00763-1
(3) 무커지, P. 외: 극한 환경을 위한 내화성 금속 및 탄화물의 적층 제조: 개요. 용접 및 접합의 과학과 기술. 29.
(4) 로드리게스, S. 외: 첨단 원자로 및 항공우주 분야에서 고성능을 위한 내화성 고엔트로피 합금의 적용 (2021). 도이: 10.2172/1822585
(5) 첨단 금속: 의료 장비 산업의 이색 및 내화성 금속(2025).
https://leadingedgemetals.com/industrie-exotic-refractory-metals/medical-equipment-industry/
(6) 텅스텐 산업: 복잡한 부품의 3D 프린팅을 위한 텅스텐 합금
https://medizin-und-technik.industrie.de/3d-druck/wolframlegierung-fuer-3d-druck-komplexer-bauteile/
