과학자들은 녹지 않는 "초합금"을 만들어냈다.

새로운 연구를 통해 크롬, 몰리브덴, 실리콘을 결합한 획기적인 합금이 개발되었습니다. 이 합금은 터빈과 제트 엔진에 사용되는 현재 니켈 기반 초합금보다 성능이 뛰어날 수 있습니다. 출처: Shutterstock

고온 금속은 항공기 엔진, 가스터빈, X선 시스템 및 기타 첨단 기술에 동력을 공급하는 데 필수적입니다. 내열성이 가장 뛰어난 금속으로는 텅스텐, 몰리브덴, 크롬과 같은 내화성 금속이 있으며, 이들 모두 녹는점이 섭씨 2,000도(화씨 3,600도) 이상입니다. 이러한 금속은 뛰어난 내열성을 가지고 있지만, 상온에서는 취성을 띠고 산소에 노출되면 빠르게 산화되어 섭씨 600도에서 700도(화씨 1,100도에서 1,300도)에서도 고장이 발생한다는 큰 문제점을 안고 있습니다. 이러한 이유로 X선 회전 양극과 같은 특수 진공 환경에서만 사용할 수 있습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 엔지니어들은 오랫동안 뜨거운 공기나 연소 가스를 견뎌야 하는 부품에 니켈 기반 초합금을 사용해 왔습니다. 이러한 소재는 가스터빈 및 기타 고온 시스템에서 표준으로 사용됩니다.

"기존 초합금은 희귀한 원소를 포함한 다양한 금속 원소로 만들어져 여러 가지 특성을 결합합니다. 상온에서는 연성이 있고, 고온에서는 안정적이며, 산화에 강합니다."라고 KIT 응용재료연구소(재료과학 및 공학)의 마틴 하일마이어 교수는 설명합니다. "하지만 문제는 작동 온도, 즉 안전하게 사용할 수 있는 온도가 최대 섭씨 1,100도에 불과하다는 것입니다. 이 온도는 터빈이나 기타 고온 응용 분야에서 효율 향상의 잠재력을 최대한 활용하기에는 너무 낮습니다. 연소 공정의 효율은 온도가 높아질수록 증가합니다."

기술적 도약의 기회

이러한 성능 한계를 인식한 하일마이어 연구팀은 새로운 해결책을 모색하기 시작했습니다. 독일 연구 재단(DFG)의 "극한 조건 응용을 위한 복합 재료의 재료 화합물"(MatCom-ComMat) 연구 교육 그룹 내에서 연구팀은 크롬, 몰리브덴, 실리콘을 결합한 새로운 합금을 개발했습니다. 현재 루르 대학교 보훔 교수인 알렉산더 카우프만 박사가 주요 역할을 한 이 내화성 금속 기반 재료는 이전에는 볼 수 없었던 특성을 보여줍니다.

"이 소재는 실온에서 연성을 가지며, 녹는점은 약 섭씨 2,000도에 달하고, 현재까지 알려진 내화 합금과는 달리 임계 온도 범위에서도 산화 속도가 매우 느립니다. 이는 섭씨 1,100도보다 훨씬 높은 작동 온도에 적합한 부품을 제작할 수 있다는 비전을 제시합니다. 따라서 본 연구 결과는 진정한 기술적 도약을 가능하게 할 잠재력을 가지고 있습니다."라고 카우프만은 말했습니다. 특히 컴퓨터 기반 소재 개발 분야에서 눈부신 발전을 이루었음에도 불구하고, 산화 저항성과 연성을 아직 충분히 예측하지 못해 목표 소재 설계가 불가능하다는 점에서 이는 매우 주목할 만한 성과입니다.

더 높은 효율성, 더 낮은 소비

"터빈의 경우, 온도를 섭씨 100도만 높여도 연료 소비를 약 5% 줄일 수 있습니다."라고 하일마이어는 설명합니다. "이는 특히 항공 분야에 중요한데, 전기로 구동되는 항공기는 향후 수십 년 안에 장거리 비행에 적합하지 않을 것이기 때문입니다. 따라서 연료 소비를 크게 줄이는 것이 매우 중요한 과제가 될 것입니다. 발전소의 고정식 가스터빈 또한 더욱 견고한 소재 덕분에 이산화탄소 배출량을 줄이면서 운영될 수 있습니다. 이 합금을 산업적으로 활용하려면 여러 단계의 개발이 필요합니다."라고 하일마이어는 말합니다. "하지만 기초 연구에서의 발견을 통해 중요한 이정표에 도달했습니다. 이제 전 세계 연구진이 이 성과를 기반으로 발전해 나갈 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251023031622.htm