고엔트로피 합금은 다종의 구성 원소가 동분율 혹은 비슷한 분율로 구성되어 있으며, 높은 구성 엔트로피를 가져 금속간 화합물 없이 단상의 고용체를 형성하는 새로운 개념의 합금이다. 고엔트로피 합금은 구성 원소 간 원자 크기의 불균형으로 인해 발생하는 심한 격자 왜곡에 기반하여 우수한 기계적 물성을 가지는 것으로 알려져 있다. 특히 bcc 구조를 가지는 고융점 금속 기반의 고엔 트로피 합금은 상온과 고온에서 우수한 기계적 물성을 보여 구조재료로써 잠재력이 있다. 그러나 Ti, Nb, Zr, Ta, Hf 등 구성 원소가 비교적 고가이며, 합금의 밀도가 높아 실질적인 응용 및 상용화에 한계를 보인다.
본 연구에서는 TaNbHfZrTi 합금으로 대표되는 내열 고엔트로피 합금 수준의 기계적 물성을 가지는 고강도 고연성의 경량 고엔트로피 합금을 개발하고자 하였다. Ti, V, Zr, Nb 등의 고융점 원소들을 기반으로 이론밀도 6 g/cm³ 이하의 비동일 분율로 설계하여 경량화를 하였다. 또한, 구성 원소 간 원자 크기 불균일도(δ)를 높게 유지함으로써, 고용강화 효과를 극대화하여 고강도-고연성을 구현하고자 하였다.
설계된 합금은 진공 아크 용해(Vacuum arc melting)법을 이용하여 흡입 주조법(Suction casting)으로 제조하였고, 균질화 열처리를 통해 응고 시 생성된 화학적 불균일성을 제거하였다.
제조된 합금은 X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)와 주사전자 현미경(FE-SEM)을 통한 미세조직 분석으로 bcc 구조를 가지는 단상의 고용체임을 확인하였다. 경도(Micro Vickers hardness), 압축(Compression) 및 인장(Tensile) 시험을 통해 개발된 경량 고엔트로피 합금의 기계적 물성을 평가하였고, TaNbHfZrTi 합금 (σy = 1,000 MPa) 대비 80~90%의 경도를, 80~110%의 항복강도를 가지는 것을 확인하였다.
원자쌍분포함수(Pair Distribution Function, PDF) 분석을 통해 격자의 변형률(ε)을 정량적으로 분석하였다. 구성 원소 간 크기 불균일도(δ)가 증가할수록 격자의 변형률(ε)이 증가하는 것을 확인하였으며, 설계된 합금 내에서 격자의 변형률(ε)이 증가함에 따라 기계적 물성이 증가하는 것을 확인하였다.