中 과학자, 2,400도 견디는 탄탈럼 초고온 합금 개발… 항공우주 핵심 소재 부상

중국 과학자들이 섭씨 2,400도(화씨 4,352도)에 달하는 초고온 환경에서도 부드러워지거나 파괴되지 않고 거대한 하중을 견뎌내는 혁신적인 탄탈럼(Tantalum) 기반 초고온 합금을 개발하는 데 성공했다.

극초음속 비행체, 차세대 원자로, 항공우주 엔진 등 극한 공학 분야의 핵심 소재 주도권을 확보하기 위한 글로벌 첨단 소재 경쟁에서 중국이 파격적인 기술적 이정표를 세웠다는 평가다.

7월 27일(현지시각) 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP) 보도 및 국제 학술지 '네이처(Nature)' 발표 논문 분석에 따르면, 시안교통대학교 쑨쥔(Sun Jun) 교수 연구팀은 신규 탄탈럼 합금을 개발하고 상온에서의 뛰어난 유연성과 초고온에서의 독보적인 인장 항복 강도를 입증했다.


대부분의 금속과 항공기 엔진용 니켈 기반 단결정 초합금은 융점의 60% 수준인 2,000℃ 임계값을 넘어서면 내부 구조가 순식간에 약화되거나 찰흙처럼 부드러워지는 한계를 지닌다.
약 3,000℃의 높은 융점을 지닌 탄탈럼 금속 역시 전통적인 세라믹 입자(산화물 분산) 강화 방식을 사용할 경우 2,000℃ 이상에서 세라믹 입자가 녹아내려 부서지기 쉬운 상태가 된다.

시안교통대 연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 ‘붕소 개입 현장 산화(boron interventioned in situ oxidation)’라는 차세대 합성 공정을 완성했다.

탄탈럼에 미량의 하프늄 붕소화물을 첨가해 산소를 포획함으로써 안정적인 하프늄 산화물 나노입자를 형성하는 동시에, 금속 내부로 퍼져나간 붕소 원자가 하프늄 산화물 나노입자를 보호막처럼 코팅하도록 유도했다. 이 붕소 코팅 막이 고온에서 입자가 녹아 고사하는 현상을 차단해 초고온 강도를 유지시킨 것이다.


이번 연구로 탄생한 탄탈럼 합금은 기계적 특성 면에서 독보적인 수치를 기록했다.
인장 강도 800메가파스칼(MPa) 이상, 연신율 35% 확보로 성형 및 가공이 용이하고, 2,000℃에서 200MPa, 2,400℃에서 100MPa의 인장 항복 강도를 유지(기존 탄탈럼 합금 대비 2,000℃에서 강도 2배 달성)한다.

쑨쥔 교수는 중국 관영 신화통신과의 인터뷰에서 "동일한 100MPa 하중을 지탱할 때, 이번 신규 합금은 기존 탄탈럼 기반 재료보다 온도 한계를 약 500℃ 높여놓았다"고 설명했다. 1960년대 미국 NASA가 개발했던 기존 T-222 합금이 1,926℃에서 100MPa 이하의 강도를 나타냈던 것과 비교하면 괄목할 만한 수율 향상이다.


연구팀은 이 붕소 코팅 공정이 탄탈럼 합금뿐만 아니라 니오븀-텅스텐 합금 등 다양한 난융성(Refractory) 금속 전반에 폭넓게 적용될 수 있음을 입증했다.

극초음속 비행체의 마찰열 방어선 구축과 차세대 초고온 원자로 구조재, 우주 로켓 재사용 엔진 등 핵심 방산·항공우주 인프라의 소재 자강론을 다지는 중국 과학계의 이번 초고온 합금 개발 전술은, 하반기 글로벌 첨단 소재 유통 단가와 차세대 우주 항공 생태계의 패권 향방을 결정할 거시 산업 변수로 작용하고 있다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com