지속가능성을 위한 합금 설계: 과제와 기회

본 소개 자료는 "[Elsevier]"에서 발행한 논문 "[Sustainability through Alloy Design: Challenges and Opportunities]"를 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: Sustainability through Alloy Design: Challenges and Opportunities (지속가능성을 위한 합금 설계: 과제와 기회)
• 저자: Jaclyn L. Cann, Anthony De Luca, David C. Dunand, David Dye, Daniel B. Miracle, Hyun Seok Oh, Elsa A. Olivetti, Tresa M. Pollock, Warren J. Poole, Rui Yang, C. Cem Tasan
• 발행 연도: 2020
• 발행 학술지/학회: Elsevier
• 키워드: Steel, Aluminum, Titanium, Magnesium, Superalloys, Shape memory alloys, High entropy alloys, Metallurgy, Sustainability (강, 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 초합금, 형상기억합금, 고엔트로피 합금, 야금학, 지속가능성)

2. 초록:

지난 수십 년간의 흥미로운 야금학적 발전과 새롭고 더욱 강력한 실험 및 이론적 금속 연구 도구의 개발 및 광범위한 가용성은 우리가 금속 설계의 새로운 시대의 여명기를 목격하고 있음을 보여줍니다. 역사적으로 새로운 금속 재료의 발견은 인류 역사의 핵심적인 공학적 진보의 대부분을 가능하게 했습니다.
현재의 공학적 과제들은 우리의 존재에 핵심적인 여러 산업에서 기술적 진보를 더욱 발전시키기 위해 새로운 금속 재료에 대한 시급한 필요성을 야기합니다. 그러나 현재 금속 가공에 대한 데이터는 야금 산업이 우리 행성의 미래에 미치는 중대한 환경적 영향을 명확하게 보여줍니다. 이러한 영향과 해당 가공 해결책이 논의된 수많은 보고서가 있습니다. 다른 한편으로, 개선된 물성 조합을 가진 새로운 금속 재료의 설계는 다양한 방식으로 핵심적인 환경 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이를 위해, 본 검토의 목표는 합금 설계를 통해 해결될 수 있는 가장 시급한 지속가능성 과제를 논의하여, 이러한 가장 중요한 과제에 집중하도록 증가하는 야금 연구에 대한 관심을 조율하는 데 도움을 주는 것입니다.

3. 서론:

금속의 전 세계적 사용은 증가하고 있으며[1], 이는 생산으로 인한 부담 증가로 이어져 금속의 지속가능성 해결의 시급성을 강조합니다[2]. 이를 완전히 검토하려면 추출이 지역 사회에 미치는 사회적 영향, 혁신적인 설계 및 자원 사용이 제공하는 환경적 부담과 이점, 재료 대체에 따른 경제적 영향 등 지속가능성의 여러 차원을 고려해야 합니다[3]. 금속 재료 공간 전체에 걸쳐 이러한 각 지속가능성 척도에 대한 포괄적인 검토는 다른 곳에서 특정 금속에 대해 수행되며 본 검토의 범위를 벗어납니다[3]. 여기서 우리의 목표는 합금 설계 활동을 통해 다양한 금속 계열에 대한 환경 지속가능성 해결책을 제공하는 가장 중요한 기회를 강조하는 것입니다.

금속의 지속가능성을 고려할 때, 생산자, 제조업체 및 사용자에게 중요한 것은 재료 자체가 아니라 해당 재료가 포함된 제품 내에서 제공하는 서비스라는 점을 상기해야 합니다. 이것의 핵심 결과는 이러한 재료에 대한 지속가능성 관점은 수명 주기 관점을 요구한다는 것입니다. 즉, 광석 추출 및 금속 가공의 영향뿐만 아니라 사용 중인 제품의 영향과 그것이 사용된 합금의 결과로 어떻게 달라지는지, 그리고 수명 종료 고려 사항까지 고려해야 합니다. 합금 설계로 유도된 지속가능성에 대한 이러한 수명 주기 기회는 아래 각 금속 계열을 통해 잘 참조됩니다. 예를 들어, 합금 설계는 더 높은 작동 온도를 가능하게 하여 열역학적 효율성을 높일 수 있으며, 이는 움직이는 부품의 질량 감소를 가능하게 하거나 대체 에너지 생성을 향한 더 높은 기능성을 가진 제품으로 이어질 수 있습니다[4-7].

Al 및 Mg 섹션에서 언급될 이 수명 주기 고려 사항의 또 다른 전형적인 예는 특히 차량 질량을 줄이기 위해 이러한 금속을 사용하는 것입니다. 이 경우, 강판과 비교하여 Al 및 Mg 합금 생산 시 환경 부담이 증가합니다(각각 약 3배 및 4배의 에너지 부담 [4-6]). 그러나 질량 감소는 사용 중인 차량의 무게가 가벼워져 연비가 높아지므로 차량이 주행함에 따라 이러한 증가된 생산 부담이 상쇄됩니다. 최근 연구에 따르면 이 "손익분기점 거리"(연비 절감이 온실가스 배출 형태의 증가된 제품 부담을 능가하는 지점)는 Al의 경우 75,000~200,000km, Mg의 경우 125,000~325,000km 사이일 수 있습니다(Mg의 경우 생산 공정의 GHG 집약적 특성 때문에 거리가 더 길다) [7]. 물론, 고강도강이 설계, 개발 및 사용됨에 따라 질량을 줄일 기회(아마도 하나를 희생하는 대신 강도와 연성 모두를 제공)도 제공하며, 이러한 절충은 복잡성이 증가합니다. 아래 본문 전체에서 언급된 운송 산업의 상당한 환경적 영향을 고려할 때, 수명 주기 영향을 고려하는 효과적인 합금 설계는 보다 지속가능한 제품 시스템으로 나아가는 데 중요한 기회를 제공합니다.

전 세계적으로 금속의 전반적인 사용은 증가하고 있지만, Cd 및 어느 정도 Pb와 같은 독성 우려가 있는 금속의 경우 소비가 시간이 지남에 따라 감소(또는 전반적인 성장에도 불구하고 안정화)했습니다[8]. 그러나 이러한 금속은 본 검토의 기초가 되는 금속을 위한 광석 채굴의 부산물로 생산될 수 있으므로 수요 감소에 따라 공급이 반드시 감소하지는 않습니다[9]. 금속은 전 세계 재료 추출의 10%를 차지하며, 강철이 부피 기준으로 가장 큰 영향을 미치므로 전반적인 영향 감소는 이러한 재료에 대한 기술 및/또는 사회의 급진적인 변화의 결과로만 기대할 수 있습니다[10]. 여기에는 강철의 전기화학적 처리를 통한 새로운 저탄소 생산 개발 또는 2차 생산의 훨씬 더 큰 점유율이 포함될 수 있습니다. 금속의 1차 생산은 현재 전 세계 에너지 소비의 7-8%를 사용하며, 광석 등급 저하에 따라 이 에너지 소비는 증가할 수 있습니다. 수명 주기 전반에 걸친 에너지 영향은 금속 재료를 추출, 가공 및 분배하는 데 사용되는 에너지뿐만 아니라 사용 중인 금속 함유 제품에 전력을 공급하는 에너지에 의해 주도됩니다. 이러한 각 에너지 부담은 지구 온난화 잠재력과 같은 지표의 증가로 직접 변환됩니다. 직접 배출도 중요할 수 있습니다. 예를 들어 강철 및 마그네슘 생산에서 발생하는 환원 공정에서 CO2 생산입니다. 채광의 영향에는 인간 건강 위협, 경관 파괴, 서식지 파괴, 상당한 광산 폐기물 발생, 물 소비, 수질 저하(예: 구리로 인한 수생 독성) 및 생태계 오염(종종 생태학적으로 민감한 지역에서)도 포함됩니다. 재료 사용 중 영향의 대부분은 운송, 건축 환경 또는 전자 제품을 포함한 기계에 전력을 공급하는 데 필요한 연료 및 전기에서 비롯됩니다. 사용 중 금속 부식은 환경으로의 방출로 이어질 수 있습니다.

킬로그램당 기준으로 환경 영향이 가장 높은 금속은 귀금속, Sc, Re 또는 Ge와 같이 합금에서 주로 미량 원소로 사용되는 금속입니다. 이는 단위 채광 및 가공 노력 때문입니다. 대신 전 세계 연간 생산량을 고려할 때 Fe, Al 및 Cu가 지구 온난화 잠재력 또는 생태계 손상과 같은 지표에 가장 많이 기여합니다. Cu, Zn, Re 및 Mo의 경우 채광 공정 자체가 에너지 수요 또는 지구 온난화 잠재력의 50% 이상에 기여할 수 있는 반면, 대부분의 다른 금속의 경우 정제 및 선광이 상류 영향에 가장 많이 기여합니다[11].

합금 지속가능성과 관련된 또 다른 지속적인 우려는 초합금에서 아래에 설명되어 있고 일반적으로 모든 첨단 기술에서 발견되는 합금에 사용되는 원소의 다양성 증가 추세와 관련이 있습니다[12]. 이러한 원소 복잡성은 개선된 특성에서 상당한 이점을 제공하지만, 일반적으로 수명 종료 시 개별 원소를 회수하는 능력과 이러한 합금을 생산하기 위해 접근하는 공급망 수 사이에는 절충이 있습니다. 일반적으로 합금이 더 혼합됨에 따라 회수가 어려워집니다. 재료 회수는 순수 스트림에 대해 더 쉽기 때문입니다[13]. 금속의 경우 재활용은 가공의 열역학, 추출 공정에서의 원소 호환성(표 1) 및 회수가 이루어질 인프라에 의해 제한됩니다. 합금 개발에서 설계 결정의 의미를 이해하는 것은 회수 가능성을 이해하는 데 중요합니다[14]. 또한, 조성적으로 복잡한 합금(CCA)에서 금속 회수를 고려할 때 특정 어려움이 있을 수 있습니다. 기본 금속에서 멀어지면 추출 재활용 기술의 선택이 명확하지 않게 되기 때문입니다[15].

금속과 지속가능성에 대한 또 다른 많은 논의 주제는 자원 가용성 및 재료 중요성 문제입니다[16]. 우려는 이전 단락에서 언급된 추세에서 비롯됩니다. 우리가 재료 설계에서 주기율표의 광범위한 표현에 점점 더 의존하게 됨에 따라 이러한 원소의 가용성이 시급한 우려가 됩니다[17]. 특정 원소의 공급망은 정치적 불안정 지역에 지리적으로 집중될 수 있거나 생산이 특정 원소의 한두 국가 공급에 의존하게 될 수 있습니다(그림 1). 역사적 및 현재 사례는 Co[18] 및 희토류 금속[19]의 경우에서 발견됩니다. 또한, 첨단 합금 및 에너지 기술에 중요한 많은 미량 원소는 주요 금속의 부산물로 채굴되며, 여기서 가격 상승이 추가 공급을 유도하는 일반적인 시장 역학이 명백하지 않을 수 있습니다[20].

설계 범위를 크게 벗어나지만 간략하게 언급할 가치가 있는 금속 추출 공정 내에서 지속가능성 또는 자원 효율성을 높일 기회가 있습니다. 제조 효율성은 종종 비용 절감과 결합됩니다. 그러나 경제적 절약과의 이러한 상관관계에도 불구하고 개선의 여지는 여전히 있습니다. 예를 들어, 강철에서는 25% 손실(그림 2)이 있고, Al에서는 제조에서 40% 손실이 있습니다[21]. 이러한 금속의 공급망을 따른 수율 손실은 최종 제품에 포함되는 것보다 더 많은 금속을 상류에서 생산해야 합니다[22]. 아래 티타늄의 경우에서 간략하게 언급했듯이, 부품 제조에 대한 보다 적층적인 접근 방식에서 공정 효율성이 가능할 수 있으며[23], 합금 개발은 예를 들어 기능성 경사 재료의 경우 이러한 혁신을 가능하게 하는 데 계속 역할을 할 것입니다.

마지막으로, 아마도 재료 효율성 증가를 위한 가장 큰 기회는 합금이 물리적 인프라에서 중요한 역할을 하기 때문에 수명 연장을 가능하게 하는 합금 설계에서 비롯됩니다. 개선된 내구성 및 신뢰성을 통해 서비스 수명을 연장하는 합금 개발, 시간이 지남에 따라 기계적 특성을 저하시키는 결함을 줄이기 위한 노력을 포함하여 이러한 연장으로 직접 이어집니다. 또한, 수명 예측을 위한 더 높은 충실도의 모델은 수명 종료까지 재료를 보다 효율적으로 사용할 수 있습니다. 기회는 또한 현장 수리가 가능하거나 재사용을 보다 효과적으로 촉진하는 합금에서도 나타납니다. 이는 내구성 증가를 통해 가능한 것 이상으로 추가적인 1차 추출의 필요성을 일부 상쇄하므로 금속의 지속가능성에서 가장 큰 이점을 제공하는 것으로 나타났습니다.

기존 제품의 유지 보수 및 재사용. 특히 강철의 재사용 개선은 편재성과 알루미늄에 비해 재활용 시 상대적으로 낮은 절감 효과 때문에 상당한 지속가능성 기회를 제공합니다. 사용 중인 금속 제품 내 불순물 또는 결함의 부재는 구현의 경제성과 함께 재사용의 장벽으로 언급되었으며, 두 측면 모두 합금 설계를 통해 해결될 수 있습니다[24].

아래에서는 다양한 합금 시스템에서 지속가능성을 증진하기 위한 가장 중요한 과제와 기회를 제시합니다. 이 검토를 통해 환경적, 정치적, 경제적 영향을 고려하여 앞으로 나아갈 가장 유망한 기회를 강조하는 것이 목표입니다. 또한, 이러한 방향으로의 현재 노력과 미해결 질문이 논의됩니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

금속 수요 증가는 생산 및 사용 과정에서의 상당한 환경 발자국(전 세계 에너지 소비의 7-8%, 배출, 자원 고갈)과 맞물려 야금 산업 내에서 지속 가능한 해결책에 대한 시급한 필요성을 야기합니다. 재료의 수명 주기 전반에 걸쳐 물성과 성능에 영향을 미치는 합금 설계는 이러한 지속 가능성 과제를 해결하기 위한 중요한 경로를 나타냅니다.

이전 연구 현황:

공정 개선(예: 생산 효율성 [26, 27], 재활용 [28, 29], CO2 저감 [26, 30], 대체 생산 [26, 34])을 통한 지속 가능성 개선에 대한 광범위한 연구가 존재합니다. 환경 영향을 평가하기 위한 수명 주기 평가 방법론[3]이 확립되어 있습니다. 다양한 금속 계열 내 특정 합금 개발 노력은 강도, 내열성 및 내구성과 같은 개선된 물성을 목표로 해왔습니다. 연구는 또한 복잡한 합금 재활용과 관련된 과제[13, 14, 표 1], 자원 중요성[16, 17, 그림 1], 생산 영향과 사용 단계 이점 간의 상충 관계(예: 경량화 [7])를 강조했습니다. 계산 도구(DFT, CALPHAD, ICME)는 합금 개발에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

연구 목적:

본 검토는 전략적 합금 설계를 통해 효과적으로 해결될 수 있는 가장 중요한 지속 가능성 과제를 식별하고 논의하는 것을 목표로 합니다. 7가지 주요 합금 시스템(강, 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 초합금, 형상 기억 합금, 고엔트로피/복합 농축 합금)에 걸쳐 핵심 기회를 조사하여 긍정적인 환경 영향을 극대화하기 위한 미래 야금 연구 방향을 안내합니다. 초점은 지속 가능성 목표 달성에 있어 공정 개선뿐만 아니라 합금 설계의 역할에 구체적으로 맞춰져 있습니다.

핵심 연구:

본 검토는 7가지 금속 재료 분류에 대한 지속 가능성 과제와 합금 설계 해결책을 조사합니다:

1. 강 (Steels):
   • 과제: 가장 큰 생산량, 상당한 환경 영향[21, 25], 강도/연성 균형, AHSS의 손상 민감성, 재활용 한계(Cu 오염[67]), 수명 제한(마모, 피로, 수소 취성[HE]).
   • 해결책: "더 적게, 더 오래, 더 많은 것을 하는" 강 설계.
     • 더 많은 것: 향상된 강도-연성을 위한 고강도강(AHSS - DP[36], TRIP[37], TWIP[38], 3세대[41-43]), 손상 메커니즘에 대한 더 나은 이해 필요[44-64].
     • 더 적게: 재사용/재성형 촉진[65, 66], 밀도 감소를 통한 경량화(예: Al 합금 TRIPlex 강[74, 75, 그림 3]) 또는 탄성 계수 감소(복합재[77]).
     • 더 오래: 내마모성 향상(나노 베이나이트[78, 79], TWIP[84]), 내피로성 향상(나노 라미네이트 구조[80]), HE 저항성 향상(오스테나이트 나노 필름[95, 96], hcp ε-마르텐사이트 설계[81, 98, 99]).
2. 알루미늄 합금 (Aluminum alloys):
   • 과제: 1차 생산의 높은 에너지 집약도[107], 고온(>220°C)에서의 제한된 하중 지지 능력[104].
   • 해결책: 고온 응용을 위한 내크리프성 합금 개발(운송 분야 경량화[103], 송전[105], 열교환기[106]). 핵심 전략: 열적으로 안정하고 조대화 저항성이 있는 L12 나노 석출물(예: Al3Sc[108-120], Al3Zr[121-126], Al3Er[127, 128])을 이용한 석출 강화. 설계에는 3원/4원계 첨가(Zr, Er, REEs)를 통한 코어-쉘 구조 형성[114, 130-138, 그림 4], 미량 합금/접종제(Si, Zn, Ge, Sn, Sb)[139-145], 고가의 Sc 대체[146-151], 내화 금속 첨가(Ti, Hf, V, Nb, Ta)[152-156], α-Al(Fe,Mn)Si 상과의 이중 석출[165-173, 그림 5]이 포함됨. 재활용은 상당한 에너지 절약(92%) 제공[107].
3. 티타늄 합금 (Titanium alloys):
   • 과제: 에너지 집약적인 추출(Kroll 공정[180]), 고비용, 신규 합금 인증의 어려움(항공 우주 분야 지배).
   • 해결책: 저렴한 합금 원소 사용(V 대신 Fe[183, 184]), 스크랩 사용 증대[182], 최종 형상에 가까운 가공(AM[23])을 통한 비용 절감. 기존 합금 개선:
     • (α+β) 합금: 준안정상(ω[189, 191-193], α″ 마르텐사이트[190, 196, 그림 6], O′[197], O″[198])을 사용하여 β로부터 α 석출을 제어함으로써 계층적 미세구조[185]를 통해 강도/인성 균형 향상. 응력 유기 α″는 초탄성 구현[199-202].
     • Near α 합금: 미세조직 및 슬립 이방성(Mo의 역할, 하중 분담[203-210, 그림 7])을 이해하고 제어하여 저온 유지 피로(cold dwell fatigue)[186] 완화.
     • γ-TiAl 합금: 사용 온도(>750°C[188])에서 형성되는 해로운 준안정상(β/B2, ω, O 상[211-217])을 합금화(Zr, Mo) 및 변형 공학을 통해 제어 또는 제거하여 작동 온도 향상.
4. 마그네슘 합금 (Magnesium alloys):
   • 과제: 낮은 밀도지만 생산 시 높은 CO2 배출(Pidgeon 공정[218, 223, 그림 8]), 낮은 내식성[224], 구조 재료로서 상대적 미성숙, HCP 구조로 인한 복잡한 거동.
   • 해결책: 전주기적 관점이 중요. ICME[235] 기반 합금 설계: CALPHAD[225, 226] 및 확산 데이터[227] 사용, 응고 이해[229-232], 가공 중 조직 제어[234], 합금화(REs, Y, Ca, Mn, Zn, Al[236-242, 그림 9, 그림 10])를 통한 슬립 활성화로 연성 향상, 변형/재결정 메커니즘 이해[243-258], 석출 경화[259-262].
5. 초합금 (Superalloys):
   • 과제: 고압 터빈에서 Ni계 합금의 온도 한계 도달[263, 264, 그림 11], 고가/중요 원소(Re) 의존성.
   • 해결책: 더 높은 융점 재료 개발(SiC-SiC[266], 내화 합금[267-269], Co계 γ-γ' 합금[270-273]). Co계 합금(L12 Co3(Al,W) 석출[270, 그림 12])의 경우: 계산 도구(적층 결함 에너지 계산용 DFT[287, 그림 13a], CALPHAD[302-305])를 사용하여 광범위한 조성 공간 탐색, 독특한 변형 메커니즘(SISF/SESF 전단[281, 282, 285, 286]) 이해, W-free[292-301] 및 Re-free 조성 개발, 내산화성 및 코팅 호환성 확보[311-315]. 구성/열화 모델의 지속적인 개발 필요[316].
6. 형상기억합금 (Shape Memory Alloys, SMAs):
   • 과제: 제한된 기능 수명(피로)이 작동기(예: 항공우주[317]) 및 잠재적으로 고효율 탄성열량 냉각/열펌프[318-322, 그림 A1] 응용을 저해함.
   • 해결책:
     • NiTi: 결함 생성 이해[331] 및 합금화(공인자 조건[332-336])와 나노 스케일 석출물 도입[334]을 통해 변형률/이력 현상 조절하여 기능적 피로 수명(>10^7 사이클[332]) 개선.
     • CuZnAl: 더 저렴하고 낮은 응력이 필요한 대안으로 연구[329, 337-341]; 상변태(B2 -> 18R[342], γ 상[343, 346]) 및 안정화 전략[345, 347] 이해 필요. 자원 가용성은 CuZnAl에 유리[346].
7. 고엔트로피 합금 (HEAs) 및 복합 농축 합금 (CCAs):
   • 과제: 전통적인 단일 기반 합금 설계 탈피[348]; 방대한 조성 공간[349, 350]; 비용, 가격 변동성, 자원 가용성(HHI 지수[15, 그림 14]), 재활용성[15, 표 1] 제약; 구성 엔트로피 이상의 근본적인 이해 필요[351, 363].
   • 해결책: 지속 가능성 기준[15]에 기반한 합리적인 원소 선택. 물리학 기반 설계 규칙 개발(예: 격자 왜곡[363], 고용 강화[360, 361, 364], 연성 기준[362]). 다중 메커니즘 설계 활용: 금속간 화합물 석출(고엔트로피 초합금[365]) 또는 단거리 규칙(SRO)[366-368] 도입. 고속 처리 실험[369-373] 및 계산 방법 활용. 기능성 재료 연구[375-377, 그림 15] 개념 통합을 통한 설계 공간 확장.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 포괄적인 문헌 검토 방법론을 사용합니다. 광범위한 출판된 과학 논문, 보고서 및 데이터베이스에서 기존 지식과 연구 결과를 종합합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

저자들은 금속 생산 및 사용의 지속 가능성 측면(환경 영향: 에너지 소비, 배출, 자원 고갈 포함), 수명 주기 평가, 재활용 과제, 자원 가용성 등에 관한 출판된 문헌에서 데이터를 수집했습니다. 그들은 7가지 주요 합금 시스템(강, Al, Ti, Mg, 초합금, SMA, HEA/CCA) 내에서 합금 설계 전략에 초점을 맞춘 연구를 분석했습니다. 분석에는 각 합금 시스템에 특정한 주요 지속 가능성 과제를 식별하고 이러한 과제를 해결하기 위해 제안되거나 구현된 합금 설계 접근 방식을 검토하는 것이 포함되었습니다. 연구 결과는 유망한 기회를 강조하고 미래 연구 방향을 안내하기 위해 종합되었습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 재료 과학, 특히 합금 설계와 지속 가능성의 교차점에 초점을 맞춥니다. 범위는 다음을 포함합니다:

• 금속 부문의 일반적인 지속 가능성 과제: 수명 주기 영향, 에너지 및 자원 소비, 배출, 재활용, 재료 중요성.
• 7가지 주요 구조 및 기능 합금 시스템 내 특정 과제 및 합금 설계 기회:
  • 강 (Steels)
  • 알루미늄 합금 (Aluminum alloys)
  • 티타늄 합금 (Titanium alloys)
  • 마그네슘 합금 (Magnesium alloys)
  • 초합금 (Superalloys)
  • 형상기억합금 (Shape memory alloys)
  • 고엔트로피 합금 (HEAs) 및 복합 농축 합금 (CCAs)
• 지속 가능성 결과에 영향을 미치는 합금 조성, 미세 구조, 공정 및 특성의 역할(예: 경량화, 효율성, 내구성, 재활용성).
• 지속 가능한 합금 설계에서 계산 및 고속 처리 방법의 적용.

6. 주요 결과:

주요 결과:

본 검토는 합금 설계가 야금 분야의 지속 가능성 과제를 해결하는 강력한 도구이며, 표 2에 요약된 다양한 기회를 제공함을 강조합니다. 다양한 합금 시스템에서 확인된 주요 전략은 다음과 같습니다:

• 재료 효율성 향상: 향상된 물성 조합(예: AHSS, (α+β) Ti 합금, HEA/CCA의 강도 및 연성)을 가진 합금을 설계하여 재료 사용량을 줄입니다("더 적은 것으로 더 많은 것을 함").
• 기능 수명 연장: 마모, 피로, 수소 취성(강, Ti), 저온 유지 피로(Ti)에 대한 우수한 저항성을 가진 합금을 개발하고 기능적 안정성(SMA)을 개선하여 교체 필요성을 줄입니다. 재사용 및 재활용을 위한 설계(강, HEA/CCA)도 기여합니다.
• 에너지 효율성 향상: 고온에서 안정적인 합금(Al 합금, γ-TiAl, 초합금)을 만들어 보다 효율적인 엔진 및 에너지 시스템을 가능하게 합니다. 탄성열량 열펌프(SMA)와 같은 새로운 효율적인 기술을 위한 재료 개발은 새로운 경로를 제공합니다.
• 지속 가능한 조성: 부족하거나, 비용이 많이 들거나, 환경적으로 문제가 있는 원소(예: Al의 Sc, 초합금의 Re, Co계 합금의 W)를 대체하기 위해 합금 원소를 전략적으로 선택하고, 기존 재활용 흐름과 호환되거나 새로운 흐름을 가능하게 하는 합금을 설계하는 것이 중요합니다.
• 활용 도구: 계산 재료 과학(ICME, DFT, CALPHAD) 및 고속 처리 실험 기술은 복잡한 합금 설계 공간을 탐색하고 지속 가능한 재료 개발을 가속화하는 데 필수적입니다.
• 수명 주기 관점: 합금 설계 선택의 지속 가능성 이점을 평가할 때 추출에서 수명 종료까지 전체 수명 주기를 고려해야 한다는 필요성이 일관된 주제입니다.

그림 및 표 목록:

• Table 1. Recoverability of alloying elements during extractive metallurgical processes. Green indicates that an element can be recovered in a single stage recovery process. Yellow indicates that an element is likely lost in a single stage recovery process (requiring subsequent post-recovery) without detriment to the carrier metal. Red indicates that an element cannot be economically recovered and are potentially detrimental to the carrier metal. Reproduced from [15].
• Figure 1. Geographic concentration for relevant materials. Concentrated supply chains are more vulnerable to disruption from socio-political upheaval, weather, and manufacturing bottlenecks.
• Figure 2. Energy Sankey diagram for the primary steel supply chain. Reproduced from [31].
• Figure 3. Ultimate tensile strength (MPa) versus elongation of high manganese TWIP or TRIPlex steels. Reproduced from [74].
• Figure 4. (a,b,c) LEAP tomography dataset obtained from an Al-0.08Zr-0.014Sc-0.008Er-0.10Si (at.%) alloy (further described in Refs. [150,151] over-aged for 21 day at 375°C, with Al atoms omitted for clarity; (b) and (c) display only the Zr and Sc atoms, respectively. (d) Associated proximity histogram showing (Al,Si)3(Zr,Sc,Er) concentration profile with a representative nano-precipitate in inset.
• Figure 5. STEM HAADF micrographs obtained from a Mo- and Mn-modified Al-Zr-Sc-Er-Si alloy aged 11 days at 400°C [172]. The α-AlMnSi precipitates exhibit an orientation relationship with the matrix, displaying both coherent and semi-coherent interfaces. The α-AlMnSi and L12 Al3M coexist and contribute jointly to strengthening.
• Figure 6. Lattice correspondence between the orthorhombic martensite α″ and the β phase with body centered cubic structure. Reproduced from [384].
• Figure 7. Illustration of the Stroh model [385] for planar slip in two neighbouring hexagonal grains. Reproduced from [186].
• Figure 8. Savings of greenhouse gas emissions during use stage for different magnesium scenarios. Reproduced from [223]
• Figure 9. Activation energy for cross-slip and ductility index χ for binary and higher-order Mg alloys. (A) Average solute contribution to energy difference ∆EII−I(c) between the pyramidal I and II (c+a) screw dislocations for various REs. Al, Zn, Zr, Ca, Mn, and Ag, immediately showing which solutes will be effective in enhancing ductility. (B) Predicted pyramidal II-I cross-slip activation energy barrier including solute fluctuations and ductility index χ for binary Mg alloys as a function of solute concentration c for the same solutes. χ > 1 indicates favorable conditions for ductility. RE solutes achieve χ > 1 at very low concentrations; Zr and Ca are also highly effective, and Mn is moderately effective. Zn and Ag (almost identical) have χ < 0 and do not reach favorable conditions for ductility. (C) Mg-Al-X-X’ with varying Al concentrations and (D) Mg-Zn-X-X’ with varying Zn concentrations. In (c), Al-Ca, Al-Mn, and Al-Ca-Mn reach the favorable ductility condition χ > 1 over some ranges of Al concentrations, and binary Mg-Al approaches χ = 0 at 1 to 3 at % Al. In (D), Zn-Ce, Zn-Mn, Zn-Mn-Ce, Zn-Zr, and Zn-Gd reach the favorable ductility condition χ > 1 at low Zn concentrations, and χ decreases as the Zn concentration increases. In (C) and (D), predictions are shown for Al and Zn concentrations above their very dilute limits; 0.1% wt Ca and 0.2% wt Ce can be in the very dilute limits. Attainable solute concentrations are limited by solubility and precipitation, factors not assessed here. The individual labels indicate solute weight percentage to make contact with standard alloy nomenclature. Reproduced from [241]
• Figure 10. Computed values of the yttrium-similarity index, YSI for the 2850 solute pairs computed in this study and visualized in the form of a symmetric matrix (a) with yellow indicating a high similarity and blue a low one. Solute pairs that have a high index (YSI > 0.95) are shown in the upper triangular part in (b). Applying a cost and solubility filter only a single pair, Al-Ca, remains (c). Reproduced from [242].
• Figure 11. Aircraft engine schematic (GE 90) along with constituent materials by weight. Adapted from Schafrik et. al. [265].
• Figure 12. (a) Microstructure of a Co-Al-W based alloy (45.9Co-9.8Al-6.3W-6.4Cr-2.4Ta-29.2Ni, at%), (b) compared to the microstructure of a commercial Ni-base alloy (René N5) and (c) TEM weak beam image of superlattice intrinsic stacking faults that form in the L12 precipitates during deformation of Co-base alloys at elevated temperatures.
• Figure 13. (a) The superlattice stacking fault energy (defined as the normalized difference between the energy of the L12 and DO19 structures) for Co3(Al, W) compared to Ni3Al, calculated with 32 atom supercells using density functional theory [287] and (b) the effect of solute addition to the Co3X and the scaling of the solvus with the SISF.
• Figure 14. (a) Alloy price in ($/mol) versus number of elements in alloy. (b) Price volatility versus number of elements in alloy. (c) Herfindahl-Hirschman Index (HHI) for various elements. Reproduced from [15].
• Figure 15. Diagrams illustrating the crystal structures of (a) the constituent elements at 600°C that make up the Cantor alloy, CoCrFeMnNi, and (b) oxide phases that have been mixed in equal proportions to produce a high entropy rocksalt (B1) structure [377] with oxygen (gray) atoms on one sublattice and a mixture of the metallic ions on the other sublattice. Three different types of cubic crystals produce an FCC solid solution in (a), and a mixture of cubic, monoclinic and hexagonal phases produce a cubic rocksalt structure in (b).
• Table 2. Summary table of sustainability challenges and key opportunities for each alloy system.
• Figure A1. Tusek’s regenerator. Elastocaloric material is held between grips. Starting in the austenite, the regenerator is loaded (a), causing the martensite transformation and heating of the superelastic material. (b) Fluid is pumped through the hot side heat exchanger HHEX, rejecting heat. (c) The regenerator is compressed into the austenite, cooling it, before finally at (d) the hot fluid is cooled and passed through the cold heat exchanger (CHEX). Redrawn from [380].

7. 결론:

본 검토는 7가지 다른 합금 시스템에 걸쳐 지속 가능한 도구로서 합금 설계를 사용하는 가장 유망한 기회를 강조했으며, 이는 표 2에 요약되어 있습니다. 이러한 기회는 물성 개선 및 기능 수명 연장을 통한 재료 양 감소에서 효율성 향상을 위한 고온 안정성 증가에 이르기까지 다양합니다. 이러한 목표를 달성하려면 환경을 고려한 합금 원소 선택과 계산 기반 재료 설계 전략의 사용이 모두 필요합니다.

재료를 덜 사용하기 위해 강도와 연성을 동시에 개선하는 것(예: 강, Ti 합금, HEA)과 내구성 향상 또는 재사용/재활용을 가능하게 하여 합금 수명을 늘리는 것과 같은 공통된 주제가 나타납니다. 경량화(Mg, Al, 강) 및 고온 응용(Al, γ-TiAl, 초합금) 또는 새로운 사이클(SMA)을 위한 재료 개발을 통해 에너지 효율성 향상이 추구됩니다. 지속 가능성 고려 사항은 원소 선택(예: Al의 Sc, 초합금의 Re/W 대체)에서 재활용성을 위한 설계에 이르기까지 합금 설계 전반에 스며들어야 합니다.

이론 및 계산 접근법(ICME, DFT, CALPHAD, 상-장, 유한 요소, 통계적 방법)은 복잡한 설계 공간을 탐색하고 진전을 가속화하는 데 필수적입니다. 금속 생산으로 인한 환경 부담 증가[21, 12, 378]는 합금 설계에서 신중하고 정보에 입각한 결정을 필요로 합니다. 식별된 과제와 기회에 초점을 맞춘 양심적인 합금 설계를 통해 야금 커뮤니티는 시급한 환경 문제를 해결하고 지속 가능한 길을 개척할 수 있습니다.

8. 참고문헌:

[References]
[1] Krausmann F, Wiedenhofer D, Lauk C, Haas W, Tanikawa H, Fishman T, et al. Global socioeconomic material stocks rise 23-fold over the 20th century and require half of annual resource use. Proc Natl Acad Sci 2017;114:1880–5. doi:10.1073/pnas.1613773114.
[2] Van der Voet E, Van Oers L, Verboon M, Kuipers K. Environmental implications of future demand scenarios for metals: methodology and application to the case of seven major metals. J Ind Ecol 2018;23:141–55. doi:10.1111/jiec.12722.
… (이하 전체 참고문헌 목록은 원본 참고) …
[385] Stroh AN. The formation of cracks as a result of plastic flow. Proc R Soc 1954;A223:404–14.

9. 저작권:

• 본 자료는 "Jaclyn L. Cann"의 논문입니다. "[Sustainability through Alloy Design: Challenges and Opportunities]"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642520300864

본 자료는 상기 논문을 바탕으로 요약되었으며, 상업적 목적의 무단 사용을 금지합니다.
Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.