기존에 CMT-WAAM 방식으로 제조된 Inconel 625은 비균일한 미세구조, 국부적 변형률 집중, 그리고 높은 강도와 우수한 연성의 동시 확보 어려움 등 여러 문제에 직면해 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해 난징 과학기술대학(Nanjing University of Science and Technology) 연구팀은 생물모방 톱니 구조 설계 전략을 제안하였다. 이 접근법은 기하학적 구조와 미세구조 특성을 동시에 조절함으로써 변형이 균일하게 분포되도록 재료 성능을 향상시킨다.
위 연구 배경을 바탕으로, 난징 과학기술대학과 리스본 대학교(포르투갈), 엔igma(Enigma) 등이 참여한 공동 연구팀은 국제 학술지 『Materials Science & Engineering A』에 최신 연구 논문 ‘Enhancing strength-ductility synergy in CMT-WAAM Inconel 625 via a bio-inspired zigzag heterostructure’를 발표하였다. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464이 연구에서 난징 과학기술대학 재료과학 및 공학부의 심자자 박사와 한옌쥔 석사과정 학생이 공동 제1저자이며, 왕커홍 교수, 장융 교수(동일 학부 소속), 그리고 리스본 대학교의 조앙 페드로 올리베이라 교수가 공동 책임저자이다. 본 연구는 생물 영감을 받은 지그재그 이종구조가 CMT-WAAM 방식으로 제조된 인코넬 625의 강도-연성 시너지 효과를 향상시키는 메커니즘을 체계적으로 규명하였다. 
1. 연구 배경 및 의의
CMT-WAAM 기술은 냉금속전달(CMT) 공정의 낮은 열입력 특성과 와이어 아크 적층 제조(WAAM)의 높은 적층 효율을 결합하여, 대규모 금속 부품의 신속한 제조에 이상적이다. 인코넬 625과 같은 니켈계 합금의 경우, 이 기술은 제조 효율 향상 및 생산 비용 절감 측면에서 상당한 이점을 제공한다.
그러나 실제 제조 과정에서는 증착 공정 중 여러 번의 열 순환, 층 간 재용융 및 경로 계획이 결정 형태, 결정학적 배향, 국부 응력/변형률 분포에 공동으로 영향을 미친다. 기존의 공정 매개변수 최적화에만 의존할 경우, 높은 강도와 높은 연성이라는 두 가지 성능을 동시에 달성하기 어려운 경우가 많다. 따라서 미세구조 설계를 통해 재료의 변형 거동을 능동적으로 조절하고 제어하는 것이 WAAM으로 제조된 합금의 전반적인 성능을 향상시키는 중요한 접근 방식이 되었다.
조개껍질, 뼈, 톱니 모양의 계면과 같은 자연계의 계층적 구조는 종종 "기하학적 맞물림, 변형 분산, 균열 편향"과 같은 메커니즘을 통해 뛰어난 손상 내성을 달성한다. 이러한 생체모방 설계 철학에서 영감을 받아 본 연구에서는 CMT-WAAM 방식으로 제작된 Inconel 625 합금에 지그재그 형태의 구조를 구현함으로써, 적층 제조 합금의 강도와 연성을 동시에 향상시키기 위한 새로운 미세구조 설계 접근법을 제시한다.
그림 1: 생체모방 지그재그 구조 설계 개념도
2. 실험 세부 사항
본 연구에서는 CMT-WAAM 공정을 통해 Inconel 625 합금 시편을 적층 제작하였으며, 공구 경로 계획을 통해 공간적으로 파동 형태를 띤 톱니 모양 구조를 구현하였다. 이 전략은 층 간 단일 평면 접합 계면을 제거하고, 거시적 기하학적 수준과 미시적 구조적 수준 모두에서 제어 가능한 구조 단위를 형성한다.
Inconel625 합금의 미세구조 및 특성에 대한 구조 설계의 영향을 종합적으로 규명하기 위해 본 연구에서는 다중 규모 특성 분석 방법을 적용하였다: 광학 현미경, 주사 전자 현미경, 전자 후방 산란 회절 등 기법을 통해 미세구조 진화를 분석하고, 인장 시험 및 파면 분석을 통해 기계적 특성을 평가하였다. 또한 국부적 결정 방위 차이, 전위 구조, 변형 특성을 통합하여 재료 내 강도와 연성의 시너지 효과적 향상을 유도하는 메커니즘을 보다 심층적으로 규명하였다.
그림 2: 적층 전략
3. 결과 및 논의
3.1 생물 영감형 지그재그 구조의 구축
기존의 직선 경로 또는 균일한 층상 구조와 비교할 때, 지그재그 구조는 기하학적으로 주기적인 굴곡과 계면의 파동을 도입함으로써 재료 내부에 서로 다른 국소 변형 응답을 보이는 영역을 생성한다. 인장 하중이 가해질 때 이러한 서로 다른 영역들 사이에서 상호 제약 및 협동적 변형이 발생하여, 국소적인 변형 집중을 분산시키는 데 기여한다.
이 구조 설계의 핵심은 단순히 적층 경로를 변경하는 데 있는 것이 아니라, 경로 유도형 미세구조 변화와 기하학적 파동을 통해 변형 모드를 공동으로 조절하는 데 있다. 이를 통해 재료는 전반적인 하중 지지 능력을 유지하면서 보다 안정적인 가공 경화 거동을 달성할 수 있다.
3.2 미세구조 특성
미세구조 분석 결과, CMT-WAAM 공정 중 열 입력량, 층간 재용융 및 경로 변화가 결정립 형태와 국부적 미세구조 분포에 종합적으로 영향을 미친다. 지그재그 구조 영역에서 관찰된 미세구조 차이는 변형을 위한 기반을 제공하며, 이로 인해 변형 과정 중 보다 풍부한 변형 분배 및 전위 축적 거동이 가능해진다.
지그재그 구조가 약한 계면을 도입한다는 의미는 아니라는 점에 주목할 필요가 있다. 적절히 설계된 지그재그 계면은 기하학적 끼움과 미세구조의 연속성을 통해 하중 전달 능력을 향상시킬 수 있으며, 이로써 계면에서 조기 파손 위험을 감소시킬 수 있다.
그림 3: 생체모방 지그재그 구조 내 미세구조 특성 개략도
3.3 상온 기계적 특성
기계적 특성 시험 결과, 생물 영감을 받은 지그재그 구조가 CMT-WAAM Inconel 625의 강도-연성 시너지 효과를 효과적으로 향상시킨다. 기존의 균일한 구조와 비교하여, 이 지그재그 구조는 국부적 변형 조율 능력 및 가공 경화 능력을 향상시켜 소성 불안정성을 지연시킴으로써 전반적인 기계적 특성에서 뛰어난 성능을 달성한다.
강도와 연성의 시너지 향상은 본 연구의 핵심 포인트이다. 인장 변형 과정에서 지그재그 구조는 변형 진화 경로를 조절하여 재료 내 다양한 영역이 공동으로 소성 변형에 참여할 수 있도록 하여, 국부 영역에서 조기에 손상이 집중되는 현상을 방지한다.
그림 4: CMT-WAAM Inconel 625에서의 강도-연성 시너지 향상
3.4 변형 메커니즘
기구 분석 결과, 지그재그 구조는 보다 복잡한 국부적 변형률 분포를 유도하고, 지그재그 구조 내부의 연성 영역과 경성 영역 간 협동 변형을 촉진할 수 있음이 확인되었다. 변형 과정에서 기하학적으로 파동을 이루는 영역과 인접한 미세조직 영역 사이에 상호 제약이 발생함으로써 전위 축적, 역응력 강화 및 향상된 가공 경화 능력이 촉진된다.
이 메커니즘은 외부 하중을 받을 때 재료가 균일한 소성 변형에만 의존하지 않고, 여러 영역의 시너지적 협동을 통해 변형을 흡수할 수 있게 한다. 그 결과, 재료는 우수한 연성을 유지하면서 강도를 증가시킬 수 있으며, 이는 CMT-WAAM 니켈계 합금의 구조와 성질을 통합적으로 설계하는 데 중요한 기반이 된다.
그림 5: 생체모방 지그재그 구조가 변형 거동을 조절하는 메커니즘 개요도
4. 결론
이 연구는 생체모방 구조 설계 개념을 CMT-WAAM 방식으로 제조된 Inconel 625 합금에 도입하고, 톱니형 구조를 통해 강도와 연성 간의 시너지를 향상시키기 위한 새로운 전략을 제안한다. 이 전략은 공정 매개변수 최적화에만 의존하던 기존 접근법에서 벗어나, 구조 단위의 설계를 통한 재료 변형 거동의 능동적 제어를 중시한다.
연구 결과에 따르면, 톱니형 구조는 국부적 변형률 분포를 개선하고, 서로 다른 영역 간 조율된 변형 능력을 향상시키며, 재료의 가공 경화 능력을 증대시킨다. 이러한 메커니즘은 적층 제조 합금에서 흔히 발생하는 국부적 변형률 집중 문제를 완화하여 강도와 연성 간의 보다 우수한 균형을 달성한다.
이 성과는 WAAM 니켈 기반 합금의 강화 메커니즘에 대한 연구를 풍부하게 할 뿐만 아니라 항공우주, 에너지 장비 및 복잡한 대형 금속 부품의 고성능 적층 제조를 위한 새로운 설계 아이디어와 기술적 참고 자료를 제공한다.
5. 논문 링크
논문 제목: 생물 영감형 지그재그 이종 구조를 통한 CMT-WAAM Inconel 625의 강도-연성 시너지 향상
저널: Materials Science & Engineering A
저자: Y.J. 한, J.J. 션, B.H. 장, S.Y. 위안, W. 동, Y. 청, L.L. 우, Y. 펑, J.P. 올리베이라, Y. 장, K.H. 왕
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464
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