항공재료연구센터소식              

 CAAM-MPC Joint Lab. 설립
 

  항공재료연구센터 동향

 국내외 R & D 소식

 첨단 연구 및 기술 개발 소개

 

 

CAAM-MPC Joint Lab. 설립

 

 1997년 6월 우리 센터는 미국의 명문대학 MIT내 MPC (Materials Processing Center)와 공동연구 수행을 위한 공동연구센터 (CAAM-MPC Joint Lab.)를 설립하고 동년 7월 현판식을 가졌다. 이번 공동연구센터는 우리 항공재료연구센터의 현지연구실로서, 본 지에서는 CAAM-MPC Joint Lab.의 설립 취지 및 목적 등에 대해 알아본다.

  설립취지 및 목표

  한국과학재단 (KOSEF)은 각 우수연구센터 (ERC)의 연구능력 강화와 세계화를 위해 각 연구센터의 현지연구실 설립 및 운영을 지원하고 있다. 특히, 현지연구실을 통해 세계적인 연구센터로 발전할 수 있는 국제기반을 확보하고 세계 최신 연구정보의 확보, 연구교류의 활성화를 꾀하고, 이를 토대로 선진기술의 습득 및 국내이전을 목표로 하고 있다.

  이러한 취지 아래 우리 항공재료연구센터에서는 미국의 최고 명문대학인 MIT내에 있는 MPC (Materials Processing Center)와 2006년까지 공동연구를 수행할 것에 합의하고, 과학재단의 승인하에 공동연구센터를 설립하였다. MPC는 1980년도 재료의 제조 및 가공 공정에 관한 산?학?연 공동연구 수행을 목적으로 설립되었으며, MIT내 재료공학과, 항공우주공학과, 기계공학과, 산업?환경공학과 교수들을 주축으로 약 200명의 staff로 구성되어져 있으며, 50여개의 미국내 기업체들이 공동연구에 참여하고 있다. MPC는 설립 취지에 부합되는 다양한 프로그램을 통하여 학제간 산?학?연 공동연구를 활성화하는데 주력하고 있으며, 학제간 연구그룹 구성, 연구시설의 공동 활용, 연구 하부조직의 강화, 참여기업 협의회 구성 등을 통한 자체 개발 기술의 산업체 이전을 목표로 하고 있다. MPC에서는 주로 고성능 소재의 효율적인 제조 및 가공공정 관련 분야에 대해 중점적으로 연구를 수행하고 있으며, 세부적인 연구분야는 재료개발 분야의 경량재료, 내열?고강도재료, 금속간화합물 및 고기능성 복합재료 개발 등과 제조?가공 공정개발 분야의 용해?주조, 분말야금 공정, 용접?접합 기술, 성형공정, 초소성 성형 및 피복?표면처리 등으로 나뉘어져 있다. 이러한 각 연구분야는 우리 항공재료연구센터의 중점 연구분야와 일치하는 것들로서 공동연구센터의 설립으로 상호 보완적인 공동연구를 수행함으로써 신기술 개발 및 산업화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

  아울러 우리 센터에서는 센터 소속 연구원 중 매년 1-2명을 선발, MIT의 MPC에 파견하여, 선진 기술을 습득하고, 최신 연구정보를 수집하게 함으로써 선진 연구인력 양성에 기여할 것이며, 이를 토대로 국내 재료분야 연구의 질적 수준 향상에 기여할 것으로 기대된다.

 운영

  우리 센터는 CAAM-MPC Joint Lab. 설립 후 지난 1년간 연구원 2명을 파견하여, 공동연구 수행 및 미국 내의 재료분야 연구동향 파악 등에 관한 업무를 수행하고 있다.

  지난 1년간 수행된 공동과제는 “Electron Beam Solid Freeform Fabrication” (CAAM; 서동우 박사, MPC; Prof. John E. Matz, Prof. Thomas W. Eager), “Ni3Al-B 금속간화합물에서 응력의 온도 역의존성에 대한 연구” (CAAM; 하태권 박사, MPC; Prof. Samuel M. Allen)이며, 금년에도 새로운 연구분야를 선정하여 우리 센터에서 1명 내지 2명의 연구원을 파견할 계획이다.

 

항공재료연구센터 동향

 

  PRICM 3 개최-본 센터 연구원 대거 참가

 지난 7월 12일부터 16일까지 5일간 하와이 호놀룰루에서 PRICM (The Third Pacific Rim International Conference) 3회 발표회가 개최되었다. 본 센터 소속 연구원들은 "Deformation Induced Martensitic Transformation in 304 Stainless Steel"(신홍철, 장영원) 등 20여편의 논문발표를 하며 다양한 연구성과를 공개했다. PRICM은 아시아 태평양 지역의 재료공학 연구자들이 중심이 된 행사로 올해는 3회째로 미국 TMS가 주최하고 아시아 각국의 금속학회가 참여하고 있다.

 

  한독 테크노마트 개최

 9월 22일부터 23일까지 부산대학교 부산경남 자동차 테크노센터 주최로 한독 테크노마트가 개최된다. 본 행사에서는 주로 자동차의 경량화 및 금형설계에 대해 독일측 6편, 한국측 10편 등 총 16편의 발표가 있을 예정이다.

 

  TMS Student Chapter 꾸준한 활동 벌여

 국내에 포항공대와 해양대의 두 곳에 설치된 TMS Student Chapter의 활동이 이어지고 있다. 지난 96년 극동지역에서는 최초로 포항공대 항공재료센터 내에 설립된 본 단체는 5월 포항제철의 남원종 박사의 신선합금의 미세구조에 대한 세미나 등 학과 내 세미나 지원활동과 학술교류 및 환영회, 운동경기 등 다양한 활동을 벌이고 있다.

  연락처 : POSTECH Student Chapter of TMS (지부장:김동국, 전화:0562-279-2795, email: coolguy@postech.ac.kr)

 

국내외 R & D 소식

 

  ULSAB 성공적으로 마무리

 1991년부터 미국의 자동차업계와 철강업계가 공동으로 연구한 ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body) 프로젝트가 98년 2월에 완료되었다. 이는 각 부품의 구조개발과 소재 선택을 동시에 고려하는 통합 디자인, 두께, 재질이 다른 판재를 접합 후 성형, 경량화를 이루는 Tailored blanks, 고압의 물로 일체형부품을 제조하는 Hydroforming, 고강도강의 대폭 적용 등의 대표적인 개념을 포함하고 있다. 더구나 이를 통해서 안전성의 저하 없이 경량화과 동시에 경제성까지 입증하는 결과를 얻었다. 자세한 사항은 인터넷 http://www.ulsab.org 에서 얻을 수 있다.

 

  Ni합금 transducer, 로켓엔진에 사용

 Ni합금, N07090으로 제작된 transducer가 유럽의 아리안 5 로켓에 성공적으로 장착되었다. 아리안 5 로켓에 탑재된 신형 벌컨엔진은 액체 산소와 액체 수소를 원료로 이용하며, 각각은 연소 이전에 극저온상태로 보관되어 있다. 따라서 transducer는 점화 전후를 중심으로 1.2초 내에 영하 200°C에서 1230°C 의 온도변화에 대응해야 한다. CP215로 명명된 무게 12그램의 이 transducer는 1단 로켓인 벌컨 엔진의 연소실내의 gas generator에 장착되며 또한 Aestus L9 2단 로켓의 엔진에도 장착된다.

  N07090은 57%의 니켈, 18%의 코발트, 19%의 크롬으로 구성되어 있으며 이 합금은 CP215 transducer를 목적으로 온도변화와 로켓의 연료에 적합하도록 특수하게 설계된 합금이다. CP215를 장착한 로켓은 1997년 10월 30일 성공적으로 발사에 성공했다.

Advanced Materials & Processes 3/98

 

  저온 net shape forming이 가능한 Ti합금

  SP-700이라 명명된 Ti합금은 다른 Ti계 합금에 비해 성형특성이 매우 우수한 것으로 보고되었다. 일본 NKK Titanium사에서 개발된 이 합금은 비교적 낮은 온도에서 near-net shape으로 가공이 가능한 장점이 있다. 이 합금은 770-800°C 영역에서 초소성 특성을 보이며, 이는 기존의 Ti-6Al-4V합금에 비해 약 140°C 정도 낮은 온도 영역이 된다.

  이 합금은 4.5% Al, 3% V, 2% Mo, 2% Fe 등을 포함하고 있으며, 이 합금의 매우 미세한 미세구조와 낮은 베타 변태온도로 인해 이 합금은 800°C 이하의 저온영역에서 유동 응력이 낮아져 초소성 가공이 가능하게 된다. 또한 이 합금은 이 온도영역에서 확산형 bond가 가능한 장점이 있어 기존의 접합공정시 급랭으로 인한 열변형을 감소시킬 수 있다. 또한 피로특성과 수소로 인한 stress corrosion cracking에 대한 저항성도 향상되었다.

  이 합금은 엔진의 핵심 회전자 등의 항공용 부품뿐 아니라 스포츠용품, 공구, 손목 시계 등의 응용범위를 갖고 있다. 가격은 기존의 Ti-6Al-4V합금에 비해 10%정도 높게 책정되나 가공에 소요되는 비용의 절감으로 인해 총 비용은 감소될 것으로 예견된다.

Advanced Materials & Processes 4/98

  철강재보다 두 배 강한 비정질 Zr합금

  Zr계 비정질 합금이 철강과 Ti에 비해 두 배 정도의 강도를 갖는 것으로 보고되었다. Vitrelloy로 명명된 이 비정질 금속은 61Zr, 12Cu, 12Ti, 11Ni, 3Be의 조성으로 이루어졌으며, 항복 강도 1900MPa으로 800MPa인 Ti-6Al-4V합금과 850MPa인 스테인레스 강과 비교했을 경우 두 배의 강도를 보인다. 파괴 인성은 55MPa-m1/2 로 보고되었으며 Ti합금의 절반정도로 고강도 강과 유사한 값이다. 한편 이 합금의 밀도는 6.1g/cm3으로 4.5g/cm3 인 Ti와 7.8g/cm3 인 스테인레스 강의 중간 정도이다. 아울러 표면 경도 50HRC로 항공용 재료 분야로 응용될 수 있다. 참고로 Ti합금과 철강의 표면경도는 30HRC정도로 나타나고 있다. 이 합금의 장점은 비정질상에서 기인하며, 즉 비정질상은 내부에 결정립이 없기 때문에 입계면 등의 취약지구가 존재하지 않는 장점이 있다.

Advanced materials & processes 5/98

 

  한국화이바, 항공기 꼬리날개용 승강타 수출

 한국화이바(대표 조문수)가 항공기의 꼬리날개용 승강타(엘리베이터) 1천2백60만달러어치를 수출한다. 꼬리날개용 승강타는 꼬리날개에 붙어 상하로 움직이며 비행기의 상승과 하강을 돕는 부품이다. 이 회사는 스페인의 항공기업체인 카사로부터 에어버스(A-320)용 미익승강타 1백86세트 주문을 받아,내년말까지 납품키로 했다고 밝혔다. 이 제품은 탄소섬유와 에폭시수지등을 사용한 복합재료로 만들어진다. 카사는 영국업체등과 컨소시엄을 구성,에어버스제작에 참여하는 업체다.

한국경제신문 1998년 5월 29일

 

  현대 우주항공 준공…항공기 주날개 생산

 현대우주항공은 28일 충남 서산 성연면에서 항공산업 종합생산기지인 서산공장의 준공식을 갖고 본격적인 항공기 주날개 및 부품 생산에 들어갔다. 이 공장의 준공으로 우리나라는  미국·영국·캐나다·러시아에 이어 세계에서 다섯번째로 항공산업의 핵심인 항공기 주날개를 생산하는 나라가 됐다. 이 공장은 부지 24만평에 항공기 주날개 조립공장,  항공기 부품 생산공장, 변속기공장등으로 이루어져 있다. 특히 항공기 주날개와 가스터빈엔진 부품, 전투기 부품  등을  생산하는 항공기공장들은 주날개 골조에 특수 강판을 자동적으로 결합시키는 첨단 장비와 각종 초정밀 절삭 기계 등을 보유하고 있다. 회사관계자는 『공장 준공으로 앞으로 20년 이상  보잉사에 항공기 주날개를 공급할 수 있게 됐으며 자체적으로 30인승급 항공기를 독자  개발할 수 있는 능력을 갖게 됐다』고 밝혔다.

경향신문 98년 05월 29일

 

  열처리가 필요없는 고강도강

 일본의 가와사키 제철소에서는 고강도를 얻을 목적으로 시행해왔던 열처리가 필요없는 구조용 강을 개발했다. 이 강종의 생산은 thermo-mechanical 열연공정과 석출경화를 응용한 것으로 인성을 증가시키기 위해서 바나듐 대신에 구리를 첨가하는 것이 특징이다. 본 재료로 제작된 봉상시편은 상온에서 680에서 760MPa의 항복강도를 보이며, 800에서 880MPa의 인장강도를 보이고 있다.

  이 합금은 가공이 쉬우며 쉽게 절단이 되어 공구의 수명을 늘릴 수 있는 장점이 있다. 현재 지름 90mm의 바형태의 샘플이 제작 가능하다.

Advanced materials & processes 3/98

 

  해수 부식을 억제하는 Cu-Ni합금

 해수의 부식에 특히 강한 고강도 Cu-Ni합금이 영국 콜롬비아 금속에서 설계되었다. 이 합금은 Nibron이라 명명되었으며 내부식성과 함께 석출 강화효과도 나타나고 있다. 또한 수소취성과 암모니아 용액 등에서도 놓은 특성을 보이는 것으로 보고되었다.

  Nibron은 질량비로 14.5%Ni, 3Al, 1.5Fe, 0.3Mn을 함유한 구리합금이며, 기계적 성질을 유지할 수 있는 이 합금의 최대 사용온도는 250°C로 알려졌다. 합금내의 알루미늄은 표면의 산화알루미늄 층을 형성하여 연간 0.03mm의 부식률 이하로 부식정도를 억제하는 작용을 한다.

  상온에서의 기계적 성질로는, 인장강도 870MPa, 항복강도 680MPa, 연신률 15%, Brinell 경도 230-260 등을 보인다. 이는 각종 접합부, 커넥터 등의 해양용 부품으로 응용될 수 있다.

Advanced materials & processes 3/98

 

  KIST 문인기박사팀, 알루미늄형 회전 스크롤 개발

 에너지절약.대체냉매형 에어컨 개발에 필수 부품인 알루미늄형 "회전 스크롤"이 한국과학기술연구원(KIST) 문인기박사팀에 의해 개발되었다.

  종래의 주철을 알루미늄합금으로 대체하는 소재 및 성형기술이 개발됨으로써 회전 스크롤의 상용화는 물론 관련 산업의 기술향상에도 기여할수 있게 되었다. 회전 스크롤은 현재 미국과 일본에서만 생산되고 있는 고난도 기술품으로 국내가전업계에서 연간 약 4백억원어치를 수입하고 있어 이번 개발로 상당한 수입대체효과가 발생할 전망이다.

  5년간 13억8천만원이 투입된 회전 스크롤 프로젝트는 주철의 성질과 비슷한 알루미늄합금의 개발이 관건이었다고 문박사는 밝혔다. 마찰부위인 고정 스크롤과 부딛혀 견뎌내기 위해선 고강도 내마모성 저열팽창성 고온가공성등 뛰어난 기계적 특성이 필수적이었다는 것. 문박사팀은 알루미늄-실리콘을 기본으로 마그네슘등을 소량 첨가해 주철의 성질에 근접한 합금을 만들어내는데 성공했다.

  이소재로 만든 회전 스크롤은 바깥 쪽에서 안쪽으로 선회하며 냉매를 압축,중앙부분으로 모아 보내는 방식으로 소음이 적고 에너지 효율이 높으며 환경친화적인 것이 특징이다. 회전 스크롤의 또다른 주요 부문은 단조성형 기술로 문박사팀은 일본산 가정용 에어컨에 장착돼 있는 실제 스크롤을 도면화해 실물크기 스크롤의 단조성형 기술을 개발했다.

  예열온도 성형온도.하중.속도등 공정변수의 제어로 실제 스크롤 치수보다 두껍게 성형, 간단히 후가공할수 있는 것이 장점이다. 때문에 1회 단조공정으로 복잡한 형상의 스크롤을 성형할수 있고 기계가공 시간을 줄여 1분 이내에 1개를 제조할 수 있다. 한편 알루미늄합금 기술은 자동차 철제 구동부품등의 경량화에,성형기술은 형상이 복잡한 부품을 빠른 속도로 정밀단조하는데 활용될수 있을 전망이다. 이번에 개발한 회전 스크롤은 중소기업인 아산알테크를 통해 상용화될 예정이다.

한국경제신문 1998년4월14일

 

첨단 연구 및 기술 개발 소개

- 차세대 철강재료 개발 동향

 

  본 첨단연구 및 기술개발 소개 칼럼은 지난호에 수록된 항공기 부품에의 초소성 성형 응용에 이어서 최근 재료분야 연구에 가장 중요한 과제로 부각되고 있는 차세대 철강재료 개발 동향의 칼럼을 싣습니다. 본 내용은 POSCO 기술연구소 후판연구팀 팀장 주웅용 박사님의 자문으로 작성되었습니다.

  구조용 철강재료는 빌딩, 교량, 자동차 등 생활의 풍부함과 안전을 지지하는 기반 소재이며, 산업발전에 따라 사용량이 점차 증대하고 있다. 한편, 21세기 보다 풍요로운 사회 구축을 위해서는 많은 양의 infrastructure의 건설이 요구되고, 신규 건설과 함께 갱신, 유지, 보수에 막대한 예산이 소요될 것이다. 따라서 infrastructure갱신 시 어떠한 구조용 철강재료를 사용할 것인가 하는 문제는 예산의 최소화라는 측면과 유지, 보수 비용 절감이라는 측면에서 매우 중요한 과제로 판단된다.

  Infrastructure의 안정성 향상과 갱신 비용의 최소화, 유지, 보수 비용 절감을 위해서는 기존의 구조용 철강재료의 성질보다 여러가지 기능이 혁신적으로 개선된 새로운 개념의 구조용 철강재료의 개발이 요구되며, 특히 우리나라의 경우 고속철도, 신공항, 도로, 항만, 교량 등 사회간접자본을 활발히 건설하는 단계로, infrastructure 소재에 대한 연구가 절실하다.

  차세대 구조용 강재에 요구되는 성질은

1)  건축물의 초고층화 교량의 초장대화, 교통의 고속화에 따른 획기적인 고강도 및 고안정성의 확보,
2)  Infrastructure의 장수명화를 위한 강재의 성능 향상,
3)  설계 자유도 향상, 시공의 용이성 등의 사용 용이성의 향상,
4)  내부식성 향상, 재활용 증대를 위한 환경 친화적인 강재 개발,
5)  제조비 절감을 위한 혁신적인 제조기술 개발

등으로 요약될 수 있다.

  위의 요구에 부합하는 강재의 개발을 위한 선진 일본의 연구전략은 ‘STX-21’ (Structural Material X for 21 Century), ‘Super Metal’로 대별될 수 있다. STX-21 project는 기존 구조용 철강재 대비 ‘강도 2배, 수명 2배’를 목표로 하고 있으며, 특히 1㎛ 크기의 초세립을 이용한 800MPa급 고강도 개발과 이러한 고강도강을 효과적으로 접합시키기 위한 1500MPa급의 초고장력 볼트용 강의 개발이 함께 추진되고 있다. 한편, Super Metal project는 철계 meso-scopic 조직제어 소재 제조기술, Al계 meso-scopic 조직제어 소재 제조기술, Nano구조 제어 소재 제조기술, 비정질 구조 제어 소재 제조기술의 4가지 분야로 진행되고 있으며, 특히 철계 소재에 대한 연구는 강자장 분위기하에서 열처리를 통한 페라이트 결정립 미세화에 초점이 맞추어 진행되고 있다.

  한편 국내에서의 연구는 ‘차세대 구조용 강재 개발’이라는 목표 아래, 다음의 각 분야에 대한 연구를 수행하고 있다.

1)  페라이트 결정립 초세립화를 통한 800MPa급 구조용 강 개발 및 용접부 물성 확보 방안 개발
2)  고장력 볼트용 강 개발
3)  녹안정성이 향상된 내후성강 개발

 1) 항의 초세립강 제조의 효과적인 방법으로 제시되고 있는 것들을 살펴보면, 페라이트 핵의 방위를 다양하게 하는 multi-variant기술, 강압하와 과냉도를 극대화하여 페라이트 핵생성을 촉진하는 강압하 제어압연-가속냉각 기술, 새로운 slip-system의 가동을 촉진시키기 위한 다축 변형 기술, 변태유기 및 저온 압연 반복 열처리를 이용한 상변태 이용 기술 등이 거론되고 있으며, 용접부 물성을 유지하는 방안으로 oxide metallurgy를 이용한 용접 열영향부 세립화 기술과 소입열 용접에 의한 용접부 크기를 최소화하는 방안 등이 논의되고 있다.

 2) 항의 고장력 볼트용 강 개발 분야로는 현재 사용 중인 800MPa급 강재의 지연파괴, 피로파괴 성질의 저하없이 강도를 1500MPa급까지 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 수행되고 있으며,

  한편, 3) 항의 녹안정성이 향상된 내후성강 개발의 측면에서는 내식성에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있는 g-FeOOH의 형성에 미치는 각 합금원소의 영향에 대해 연구되고 있다.

  본 지에서는 이러한 배경을 바탕으로 현재 수행되고 있는 우리 센터 소속 연구원들의 연구 내용을 소개하기로 한다.

  강자장을 이용한 결정립 미세화 연구 (포항공대 재료금속과 교수 구양모)

  강자장을 이용한 열처리 방법은 자성을 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되었으며, 결과적으로 자장을 가할 경우 탄소, 질소 원자들이 각각의 침입형 위치에 존재할 확률이 변화하는 것으로 보고되고 있으며, 이는 강자장이 원자의 확산에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 또한 강의 g-a 상변태시 강자장을 가하면 상변태 거동에 영향을 미쳐 결정립이 미세화된다. 이러한 기존의 연구결과를바탕으로 g-a 상변태에 미치는 자장의 영향을 정량화 함을 목적으로 하고 있으며, 이러한 결과는 초세립강의 개발의 기초자료를 제공할 것이다.

  수소 분위기하 재료특성 연구 (포항공대 재료금속과 교수 이종수)

  고장력강의 접합은 용접성의 저하에 따라 볼트 접합이 선호되며, 고장력강의 실용화를 위해서는 접합 부위의 안정성 확보가 선행과제다. 볼트 접합 부위에 가장 치명적인 악재로 작용하는 것은 사용 환경 중의 수소 침투, 결정립계 편석, cohesive strength 감소, 이에 따른 catastrophic 파괴현상이다. 따라서 수소지연파괴 특성을 평가하고 지연파괴특성과 미세조직의 상관관계를 정립하여, 고강도 볼트 강 개발을 위한 미세조직과 이의 제조방법을 찾는 연구를 수행한다.

  Ca첨가가 강의 해변 내후성에 미치는 영향 연구 (포항공대 재료금속과 교수 김규영)

  대기환경에서 강의 부식산물 (corrosion product)은 a-FeOOH, b-FeOOH, g-FeOOH, Fe(OH)2, Fe2O3, 비정질 FeOOH등이며, 한편 적청 (rust)은 부식과정에서 g-FeOOH, 비정질 FeOOH, 그리고 a-FeOOH로 변화된다고 보고되고 있으며, 이중 a-FeOOH가 가장 안정하다. 따라서 a-FeOOH가 생성되는 경우 구조물은 장시간 maintenance-free하게 사용할 수 있다. 또한 부식환경에서 적청의 형성은 Cu, Cr, P, Ni등에 의해 조장된다고 알려져 있으며, 최근 Ca첨가강에서 제강 중 생성된 CaO로 인해 부식환경 하에서 pH를 낮추어 부식속도를 저하시킴으로써 내식성을 향상시킬 수 있음이 보고되고 있다. 따라서, 강에의 Ca첨가효과 특히 내식성에 미치는 영향을 규명하는 연구를 수행한다.

 

 

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