산업이 고도화됨에 따라 우주 항공, 국방 및 해양 등의 극한 환경에서 우수한 성능을 보이는 소재 개발이 요구되고 있다. 고엔트로피합금은 주 원소에 합금 원소를 첨가하는 전통적인 합금 설계 패러다임을 탈피한 새로운 소재 개발 방식으로 뛰어난 기계적, 물리적 및 화학적 특성을 가짐에 따라 극한 환경에서 기존의 합금들을 대체할 것으로 기대되고 있다. 그러나, 극한 환경에서 지속 가능한 고엔트로피합금을 제조하기 위해서는 복잡한 열 기계적 제조 루트 (즉, 다중 주조 → 열간 압연 → 균질화처리 → 냉간 압연 → 어닐링 → 절단 등)가 요구된다. 따라서, 기하학적 자유도를 크고 최종 부품 형상을 구현할 수 있는 적층 제조 기술이 고엔트로피합금 제조에 고려되고 있다. 한편, 고엔트로피합금의 성능을 향상시키는 또 다른 방안으로는 침입형 원자를 고엔트로피합금에 첨가함으로써 석출물을 제어하고 이를 통해 기계적 특성을 개선하는 방법이 있다. 그러나, 현재까지 침입형 원자 첨가 적층 제조 고엔트로피합금에 대하여 실제 기계적 파손이 가장 많이 발생하는 고 주기 피로 특성이나 고온 크리프 특성에 대한 연구는 전무한 실정이다.
본 학위 논문에서는 첫 째, 전통적인 방식으로 제조된 등원자 조성 CoCrFeMnNi 고엔트로피합금의 미세조직, 인장 및 고 주기 피로 특성을 조사하였다. 등원자 조성 CoCrFeMnNi 고엔트로피합금의 항복 강도 (293 MPa)와 피로 한도 (280 MPa)는 서로 유사한 수준을 보여 고 주기 피로 저항성이 뛰어난 소재로 확인되었다. 고엔트로피합금의 독특하고 뛰어난 고 주기 피로 저항성의 원인은 반복적인 하중이 가해지는 환경에서의 미세조직적 변화 분석을 통해 규명하고자 하였다.
둘 째, 침입형 산소 원자 첨가가 CoCrFeMnNi 고엔트로피합금의 적층 제조 시 미세조직, 인장 특성, 고 주기 피로 저항성 및 고온 크리프 저항성에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 먼저, 초기 미세조직적 특징을 면밀히 분석하기 위하여 다중 분석 기법을 통해 멀티 스케일 미세조직 분석을 수행하였다. In-situ 산화물이 고 주기 피로 저항성에 미치는 영향을 알아보고자 응력 비 (R)=0.1의 가혹한 조건에서 피로 시험이 진행되었다. 고온 크리프 저항성의 경우 멀티 스텝 크리프 시험 방법을 도입하여 넓은 응력 범위에서의 정상 상태 크리프 속도 측정을 통해 In-situ 산화물의 영향을 확인하였다.
셋 째, 침입형 탄소 원자 함량 (0.5, 1.0 및 1.5 at%C)에 따른 적층 제조 CoCrFeMnNi 고엔트로피합금의 미세조직 및 인장 특성 변화에 대하여 조사하였다. 추가적으로, 열처리의 최적화를 통해 인장 특성 및 고온 크리프 저항성을 향상시키고자 하였다. 결정 방위, 결정립 크기 및 형상은 고 해상도 electron back scatter diffraction (EBSD)를 이용하여 분석하였다. 이와 함께, 열처리에 따른 개별적인 전위들의 분포 및 형태 변화는 electron channeling contrast imaging (ECCI) 기법을 이용하여 조사하였다. 1.5 at%C를 첨가한 경우 가장 우수한 인장 강도-연신율 조합을 보였으며, 열처리에 따라 1.2 GPa의 인장 강도를 달성할 수 있었다. 이와 함께, 멀티 스텝 크리프 시험을 통해 정상 상태 크리프 속도를 측정한 결과 In-situ 산화물 분산 강화 CoCrFeMnNi 고엔트로피합금보다 우수한 것으로 확인되었다. 자세한 강화 기구 및 변형 메커니즘은 EBSD 및 ECCI 분석들을 통해 조사되었으며, 초기 미세조직과 기계적 특성의 상관 관계에 대하여 심층적으로 고찰하였다.