알루미늄-리튬 합금(Aluminium-Lithium Alloy, Al-Li Alloy)

알루미늄-리튬 합금(Aluminium-Lithium Alloy, Al-Li 합금)은 알루미늄과 리튬, 그리고 약간의 구리와 지르코늄도 포함하는 합금이다. 리튬은 밀도가 가장 낮은 원소 금속이기 때문에 알루미늄과 합금을 형성할 경우 순수한 알루미늄보다 밀도(혹은 비중)이 크게 감소하게 된다. 상업용 Al-Li 합금은 질량 기준으로 최대 2.45%의 리튬을 함유하고 있는 것으로 알려져 있다.

리튬 원자는 합금을 이룰 때 알류미늄 금속의 격자 구조를 유지하면서 결정 격자에서 하나의 알루미늄 원자를 대체합하게 된다. 리튬 원자는 각각의 알루미늄 원자 대비 훨씬 가볍기 때문에 에 리튬을 1 질량 %(1 wt. %) 첨가할 때마다 합금의 밀도는 3 % 감소하고 강성이 5% 증가한다. 이 효과는 알루미늄에 대한 리튬의 용해도 한계인 4.2%까지 지속된다. 단, Al-Li 합금은 다른 합금 대비 압축시 피로강도가 낮다는 단점이 있었으나 많이 개선되고 있다. 또한, 기존 알루미늄 대비 3배 정도 비싼 가격은 사용처를 제한하는 요소로 작용하고 있다.

 

그림. 알루미늄 리튬 합금(출처 : aluminum-bar-rod.com)

Al-Li 합금은 가볍고 강도가 높다는 장점으로 항공우주 산업에서 주로 관심을 끌고 있다. Airbus, Bombardier, 보잉사의 다양한 항공기와 Space-X Falcon 발사체 등 다양한 비행체와 우주발사체에 Al-Li 합금이 사용되고 있다. Alcoa 사는 기존의 금속 대비 10 % 중량감소로 최대 20%의 향상된 연료 효율을 제공한다고 주장하였다. Al-Li 합금 분말은 자전거, 테니스 라켓, 골프 클럽, 야구 방망이를 포함한 경량 스포츠 용품 생산에 사용된다. 또한, 자동차 산업에서도 차체 패널, 섀시 부품 및 서스펜션 부품으로 사용된다. 무게 감소와 결합된 고강도는 성능, 속도 및 기동성을 크게 향상시킬 수 있다.

Al-Li 합금은 20세기 초반부터 사용되기 시작되었으며, 1970년대 이전에 미국, 소련의 항공기에 사용되기 시작하였다. 초기에는 리륨 함량을 2 % 이상으로 하여 밀도를 크게 감소시키고, 강도와 탄성률을 증가하셨다. 그러나, 연성과 균열 인성(fracutre toughness)가 낮으며, 이방성(anisotropy)가 심하고 성형과 용접성이 떨어지는 단점이 있고, 신뢰성이 낮아 사용이 제한적이었다. 이후 리륨 함량을 줄이고 Cu, Zr, Ag, Mg 등의 금속을 첨가하고 피로성능과 균열 저항을 향상시키려는 시도가 있었다. 2000년대부터 열처리 등으로 인성, 내식성, 용접성 등을 향상시켜 Al-Li 합금이 항공우주용으로 본격적으로 사용되기 시작하였다.

세계 알루미늄-리튬 합금 시장 규모는 2024 년에 26 억 6 천만 달러였으며 시장은 2033 년까지 437 억 달러에 이를 것으로 예상되며, 연간 5.8 %의 높은 시장 성장률을 보일 것으로 여겨진다.

 

Al-Li 합금의 주요한 생산회사는 다음과 같다.

Alcoa - Pittsburgh, Pennsylvania, United States

Rio Tinto Alcan - Montreal, Quebec, Canada

Constellium - Amsterdam, Netherlands

KUMZ - Moscow, Russia

Aleris - Cleveland, Ohio, United States

FMC - Philadelphia, Pennsylvania, United States

Southwest Aluminium - Chongqing, China

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※ Al-Li 합금의 주요 물성, 조성 등 (출처 : www.researchgate.net, 저자 : RJH Wanhill, N Eswara Prasad 등, 2017년)

상업적으로 사용되는 Al-Li 합금의 번호와 제조사, 조성 및 밀도

Al-Li 합금의 주요 물성