독일 로스톡 대학(University of Rostock)의 연구팀은 이전보다 더 적은 에너지를 사용하면서 더 저렴한 비용으로 고강도 금속 합금을 빠르게 만들 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 연구결과는 수송 및 의료 장치 등의 다양한 분야에 사용되는 구성요소를 만드는데 매우 유용할 것이다.

이 연구는 저널 Materials Today에 게재되었고, 이번 연구진은 가스 담금질 메커니즘을 가진 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering)을 여기서 최초로 보고했다. 이 가스 담금질 메커니즘은 상 조성을 변화시킬 수 있고, 금속 합금 속에서 매우 작은 결정 특징을 가질 수 있게 한다.

스파크 플라즈마 소결은 몰드(또는 다이) 속에 분말을 위치시키고 이것에 전류 펄스와 기계적 압력을 인가시킴으로써 밀집한 고체 재료 속으로 매우 작은 입자들을 용해시키는데 사용되는 기술이다. 스파크 플라즈마 냉각 속도를 변화시킴으로써, 이것은 재료 속의 상과 결정 크기를 제어할 수 있으며, 또한 기계적 성질을 변화시킬 수 있다. 이번 연구팀은 스파크 플라즈마 소결 후의 급속 냉각 기술이 향상된 경도, 강도, 연성을 가진 재료를 제조할 수 있다는 것을 증명했다.

이 새로운 급속 냉각 스파크 플라즈마 시스템은 상업적으로 적용 가능한 디자인을 기반으로 했고, 일련의 가스 흡입 노즐( inlet nozzle)을 포함시키도록 변형되었다. 소결 후에, 대부분의 스파크 플라즈마 시스템은 자연적으로 냉각되도록 하거나 아르곤 가스 분위기를 만들었다. 이 시스템은 질소 가스를 고속으로 챔버 속에 발사함으로써 재료를 빠르게 냉각시켰다.

Ti6Al4V 분말은 약 20μm의 입자 크기를 가졌다. 스파크 플라즈마 시스템 실험은 Model HP D-125 FCT SPS 시스템을 사용해서 수행되었다. 이 시스템은 한 개의 그룹에 6개의 노즐을 가지고 있고, 8개의 그룹은 소결품 주위에 배열되었다. 가스는 모든 노즐에 균일하게 분포되어 있도록 했다. Ti6Al4V 분말은 ?40 mm의 흑연 다이 속에서 압력을 받았고, 진공 하에서 850℃와 50 MPa에서 소결되었다. 100°C/min의 가열 속도가 적용되었고, 소결 프로세스는 6분 동안 지속되었다. 이 프로세스에 인가된 직접 전류는 10 ms의 펄스 지속 시간과 5 ms의 간격을 가진 1000A~2000A이었다.

이 시스템의 활용을 증명하기 위해서, Grade 5티타늄(Ti-6Al-4V)은 서로 다른 냉각 속도에서 제조되었다. Ti-6Al-4V는 티타늄 산업에서 가장 많이 활용되고 있다. 가장 빠르게 냉각되는 합금은 자연적으로 냉각되는 합금보다 12%까지 단단하고 34±3%까지 향상된 연성을 가진 것으로 발견되었다. Ti-6Al-4V는 전 세계적으로 가장 일반적으로 사용되는 합금이고, 항공기, 생체 의료, 해양 산업에서 폭넓게 적용되고 있다.

높은 연성을 가진 합금은 생체의료 및 새로운 공학 분야에 적용될 수 있는 복잡한 형상의 손쉬운 제조에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 시스템은 금속, 합금, 금속 기질 복합물에서 마이크로- 및 나노 구조를 가진 반도체까지 새로운 재료의 제조에 중요한 역할을 할 것이다. 이 연구결과는 저널 Materials today에 “The potential of rapid cooling spark plasma sintering for metallic materials”라는 제목으로 게재되었다.

그림. 고에너지 X-선 회절 패턴. (a) SEM 이미지, (b) 표면의 형상, (c) 1.6°C/s, 4.8°C/s, 6.9°C/s의 다양한 냉각 속도를 가진 Ti6Al4V 합금.