희토류 원소계 하이엔트로피 벌크 비정질 합금 개발 및 특성 평가

Abstract

기존 다성분계 합금 시스템은 하나의 주 원소가 합금의 특성을 결정하며 특성개선을 위해 다성분 원소를 첨가하는 것을 특징으로 한다. 하지만 새롭게 개발된 하이엔트로피 합금 시스템은 다섯 개 이상의 모든 성분 원소가 유사한 비율로서 합금화되며 합금 내에 높은 혼합 엔트로피를 유발하며 결과적으로 중간상과 금속간 화합물보다는 단순한 고용체를 형성하게 된다. 이러한 개념은 다성분 원소를 통해 안정한 액상을 형성하여 제조 가능한 벌크 비정질 합금과는 차이가 있지만, 최근 들어 하이엔트로피 합금의 개념을 벌크 비정질 합금과 접목하여 metal-metalloid 계 Pd-Pt-Cu-Ni-P 합금에서 하이엔트로피 벌크 비정질 합금이 최초로 개발되었다. 이 합금의 경우 모든 구성원소가 유사한 비율로 존재함에도 큰 Trg(=Tg/Tm)값과 우수한 비정질 형성능을 나타낸다는 것이 보고되었다. 희토류 원소계 비정질 합금은 3성분계 (RE1-Al-TM)에 비해 4성분계 (RE1-RE2-Al-TM)가 높은 비정질 형성능을 가지며 희토류 원소 간에는 1) 혼합열 값이 거의 0 이고 2) 전 조성 범위에서 완전 고용체를 이루며 3) 화학적, 물리적으로 유사한 특성을 가지므로 하이엔트로피 특성을 유발할 수 있고 이에, 희토류 원소를 유사한 원자 분율로 하이엔트로피 벌크 비정질 합금 (RE1RE2RE3-Al-TM)을 제조하였다. 새롭게 개발된 합금을 기존의 다성분계 합금 시스템의 상 안정성 인자를 이용하여 평가하였으며, 기계적 특성 평가를 통해 희토류 원소계 하이엔트로피 벌크 비정질 합금의 경우 강도가 감소하는 경향(softening 현상)을 확인하였다. 이러한 softening 현상을 fragility 개념을 도입하여 설명하고자 하였으며 속도론적 관점에서 정전기공중부양 장치와 투과전자현미경을 이용하여 안정상과 준안정상에서의 상변태 거동을 분석함으로써 높은 혼합 엔트로피로 인해 하이엔트로피 벌크비정질 합금 내에 유발된 느린 확산 속도에 대해 논의하고자 한다.