Special  우주항공 등 극한환경 대응 고내열 코팅 및 복합재 기술개발 동향(2)

적층제조 공정을 활용한 산화 물분산강화 합금의 기술개발 동향

김 정 한_ 국립한밭대학교 신소재공학과 교수

김 우 혁_ 국립한밭대학교 신소재공학과 연구원

Trung Pham Thanh_ 국립한밭대학교 응용소재공학과 석사과정

1. 서론 (Introduction)

산화물 분산 강화(Oxide Dispersion-Strengthened, ODS) 합금은 고온, 방사선 조사, 그리고 장시간의 기계적 하중과 같은 극한 환경에서도 우수한 성능을 발휘하도록 설계된 구조용 재료의 한 종류이다. 이러한 합금의 안정성은 일반적으로 Y₂O₃, Y–Ti–O, 또는 HfO₂와 같은 나노크기 산화물이 페라이트(ferritic) 또는 페라이트-마르텐사이트(ferritic-martensitic) 기지 내에 균일하게 분산되어 있는 미세구조로부터 기인한다. 산화물 입자는 입계 이동을 억제하고 전위의 움직임을 방해하며, 입자의 조대화를 방지함으로써 고온 장시간 노출 환경에서도 높은 강도와 미세조직의 안정성을 유지시킨다. 여러 합금과의 비교 실험 결과, ODS 강은 기존 합금에 비해 우수한 고온 강도, 크리프 저항성, 그리고 방사선 조사 저항성을 보인다[1, 2, 3].

역사적으로, 이러한 성능은 핵에너지 시스템, 특히 4세대 원자로(Generation IV) 및 핵융합로(fusion)의 연료 피복관, 노심 내부 구조물과 같은 용도에서 요구되는 낮은 조사 팽윤(swelling)과 우수한 크리프 강도(creep strength)를 충족하기 위해 개발되었다. 페라이트계 ODS 합금인 Fe–14Cr–W–Ti–Y₂O₃[4], 14YWT, 및 9Cr-ODS[1] 등은 상온에서 약 1.5–1.6GPa 수준의 항복강도를 나타내며, 저온에서 소결 및 가공된 경우에도 873K에서 900 MPa 이상의 강도를 유지할 수 있다. 이러한 특성은 극한 환경에서도 우수한 기계적 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있는 견고한 기반을 제공한다.

ODS 합금을 적층제조(Additive Manufacturing, AM)에 적용하려는 시도는 실용적인 측면 뿐만 아니라 학술적인 측면에서도 중요한 의미를 가진다. 기존의 분말야금 (Powder Metallurgy, PM) 공정은 기계적 합금화(mechanical alloying) 후 열간 압출(hot extrusion) 또는 열간 등방압(hot isostatic pressing, HIP)을 통해 원하는 산화물 분산과 치밀도를 달성할 수 있으나, 다단계 공정으로 에너지 소모가 크고 제조 형상에 제약이 따른다. 이러한 공정은 복잡한 냉각 채널, 경량 격자 구조, 고가 부품의 수리 등과 같은 정교한 설계에는 적합하지 않다. 반면, AM 공정은 국부적인 미세조직 제어가 가능한 near-net-shape 부품 제작, 공정 단계의 단축, 그리고 열관리 구조의 설계 자유도 향상과 같은 장점을 제공한다. 즉, ODS 합금의 핵심인 산화물 분산이 용융 과정을 거쳐서도 유지될 수 있다면, AM 공정을 통해 필요한 위치에만 ODS의 특성을 부여하는 설계가 가능해질 것이며, 이는 차세대 원자로 및 고온 항공우주 부품에 매우 매력적인 접근 방식이 될 수 있다. 

2010년대 초반부터 ODS 연구는 신뢰할 수 있는 PM 공정 체계를 확립해 나갔다. 기계적 합금화 후 열간 압출, HIP 또는 SPS 공정을 적용하면, 나노 산화물이 작고 높은 밀도로 균일하게 분포된 상태를 유지하여, 마이크로미터 이하의 결정립과 높은 강도를 안정적으로 확보할 수 있게 되었다[5]. 이러한 고상 공정 기반 성과는 이후 등장하는 AM기술을 평가하는 기준점으로 간주되었다. 

AM 공정을 향한 첫 번째 현실적인 검증은 2015년에 이루어졌다. ODS 분말을 대상으로 스폿 레이저 용융 실험을 수행한 결과, Y–Ti–O 계 산화물이 pyrochlore 구조의 Y₂Ti₂O₇으로 전환되면서도 용융 과정을 견딜 수 있다는 점이 확인되었다. 그러나 동시에 액상 상태에서는 입자들이 빠르게 응집하고 조대화되는 경향이 두드러졌으며, Ar 기포와 Cr-rich 탄화물이 산화물 표면에 부착되면서 입자 성장을 촉진하고, 이로 인해 분산된 산화물의 개수 밀도가 감소하는 현상이 관찰되었다. 2017년에 이르러서는 Y₂O₃ 및 HfO₂ 분산제를 사용한 Fe–14Cr ODS 소재를 직접 에너지 적층 방식(directed energy deposition, DED)을 통하여 실제 구조물 형태로 제조하였다. 우수한 기계적 물성을 나타내었고, 적층물 전반에서 나노 결정립 밴드가 관찰되었다. 그러나 TEM 분석 결과, 이러한 강도는 균일하게 유지된 나노 산화물 분포보다는 오히려 나노 결정립 미세화와 높은 전위 밀도에 크게 의존하고 있음이 드러났다. 즉, 주사전자현미경 (SEM)에서 보이는 작은 입자만으로는 적절한 산화물 분산 상태가 유지되었는지를 판단할 수 없다는 점이 다시 한번 확인된 것이다.

  그 이후 연구자들은 용융 과정을 단순히 감내해야 하는 불가피한 구간이 아니라, 제어 가능한 공정 요소로 다루기 시작했다. 대략 2018년부터 2020년 사이에 두 가지 접근 전략이 부상했는데, 하나는 Y, Ti가 첨가된 분말을 사용하여 높은 산소 분압 환경의 환경에서 합금화와 동일한 열 이력을 갖는 in-situ 방식의 Y–Ti–O 형성을 유도하는 것이었고, 다른 하나는 스캔 속도를 높이고 광학계를 조정하여 클래딩 공정의 용융풀 크기를 줄여 고속 응고가 부상 및 조대화를 앞서도록 만드는 방식이었다. 기본 아이디어는 단순했다. 즉, 용융 시간이 매우 짧고, AM 공정 기준으로 상대적으로 낮은 온도 범위에서 진행되며, 화학적으로도 분산 형성에 유리한 조건이 맞춰진다면, ODS 특유의 분산 구조가 살아남을 수 있다는 것이다. 

2021년에는 이러한 용융 원소 제어 전략이 실제 사례로 입증되었다. Tellurium을 Fe–14Cr 합금의 DED 공정 중 레이저 조건을 변경하지 않은 채 첨가한 결과, 기지 조직은 수십 마이크로미터 수준에서 수 마이크로미터 수준으로 미세화되었으며, 수 나노미터 범위의 입자가 형성되었고, 강도 역시 향상되었다. 이는 마랑고니 흐름을 제어하고, 입자의 부상과 응집을 억제하며, 구조적 이방성을 유도하는 황화물계 개재물의 형상을 둥글게 만들어 분산 안정성을 확보한 결과였다.

한편 2023년 전후로 진행된 ODS-MPEA 계열 연구에서는, 분말 자체의 품질이 가장 근본적인 변수임이 다시 확인되었다. 특히acoustic mixing 공정은 반드시 TOF-SIMS와 같은 심층 표면 분석 기법으로 평가해야 하며, SEM만으로는 분말 코팅의 비균일성을  놓칠 수 있으며, 이는 적층 이후 불균일한 분산 구조로 이어진다는 사실이 명확해졌다. 해당 연구에서는 분말 준비와 최적화된 공정 조건이 NiCoCr 계 시스템에서 산화물 균일성을 유지하는 데 효과적임도 함께 보여주었다.

2024–2025년에 이르러서는 PM 공정 기반 기준 성능과 AM 공정 기반 전략이 직접 비교되는 리뷰 연구가 등장하기 시작했다. 저온 열간 압출은 여전히 고온 성능 기준에서 가장 우수한 특성을 보였고, SPS 관련 동향은 낮은 온도와 짧은 시간 공정의 가치를 재확인시켜 주었다. AM 측면에서는 고산소 분압, 고속 클래딩, 그리고 타겟팅된 용융 화학 제어 방식이 복잡한 형상의 near-net-shape 구조물에 ODS 특성을 구현하기 위한 가장 현실적인 경로로 평가되었다. 또한 Hao Li 등은 마르텐사이트계 ODS 상에서 강도와 연성을 향상시키기 위해 HIP 공정의 매개변수와 기술 경로를 보다 정밀하게 최적화하는 방안을 제안하기도 했다[6]. 

PM 공정은 '이상적인 분산 상태'가 무엇인지 정의해주었고, 초기 레이저 기반 실험은 용융 과정이 무엇을 제한하는지를 나타냈으며, 최근 몇 년간의 연구는 이 용융 단계를 '제어 가능한 미세조직 설계 도구'로 전환하는 데 집중해 왔다. 결국 목표는 단순하다. 제조 형상에 제약을 받지 않고, 설계가 필요한 구조에 ODS 특성을 적용할 수 있는 공정을 확보하는 것, 바로 그것이 현재 AM-ODS 연구의 핵심 방향성이다. 이러한 흐름 속에서 AM 기반 ODS는 단순한 기술적 독창성이 아니라, 반드시 필요한 진화 방향으로 인식되고 있다. 이 접근은 극한 안정성과 복잡한 형상을 동시에 요구하는 구성 요소를 목표로 한다. 예를 들어, 냉각 구조가 통합된 고중성자 플럭스 원자로용 부품이나, 1000K 이상의 온도 영역에서 작동하며 산화 저항성, 열피로 내성, 구조 신뢰성을 모두 갖춰야 하는 항공우주 추진계 하드웨어가 그 대표적인 사례이다.

본 리뷰에서는 PM과 AM 전반에 걸쳐 적용된 제조 경로, 미세조직 특성, 그리고 기계적 성능을 정리하고, 이후 용융 단계에서의 분산 안정성, 결정립 성장, 이방성, 접합성 등 분산 구조 유지를 좌우하는 핵심 과제를 중심으로 논의를 전개한다. 마지막으로, 하이브리드 제조, 데이터 기반 공정 제어, 합금 설계 전략을 결합하여, 에너지 및 항공우주 분야에 적합한 고성능 ODS 소재를 효율적으로 구현하기 위한 전망을 제시한다. 요약하면, 원자력 안전 기술을 위해 개발된 공정과 소재 개념은 이제 두 전략 산업 분야를 잇는 다리 역할을 하며, 기존 금속 재료가 견디지 못하는 조건에서도 생존 가능한 신뢰성 높은 소재 체계를 제공하고 있다.

그림 6. 분말야금 공정을 통한 ODS 강의 제조 공정도: (a) ODS 강 판재의 제조 공정, (b) ODS 강 피복관(cladding tube)의 제조 공정[5]

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 11월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>