소식
군수장비용 금속소재 적용 현황
2024년 9월 7일
신소재 산업은 전략적 기반 산업이자 새로운 과학기술 혁명과 산업 변혁의 핵심 영역입니다. 지난 10년간 중국 신소재 산업의 총생산액은 연평균 20% 이상의 성장률을 기록했습니다. 관련 국가 부처는 목표 지향과 문제 지향을 견지하며 신소재 혁신 및 발전 생태를 지속적으로 최적화하고, 단점과 소재 우선 분야의 돌파구를 조율하여 추진하며, 신소재 산업의 발전과 성장을 가속화할 것입니다.
군수 물자는 차세대 무기와 장비의 기반이 되는 물질적 기반이자, 오늘날 세계 군사 분야의 핵심 기술입니다. 군수 신소재 기술은 군사 분야에서 사용되는 신소재 기술입니다. 현대의 정교한 무기와 장비의 핵심이자 군사 첨단 기술의 중요한 부분입니다. 세계 각국은 신군수 물자 기술 개발을 매우 중요하게 생각합니다. 신군수 물자 기술 개발을 가속화하는 것은 군사 주도권을 유지하기 위한 중요한 전제 조건입니다.
1. 티타늄 합금
티타늄 합금은 티타늄을 기반으로 다른 합금 원소를 첨가하여 형성된 합금입니다. 티타늄 합금은 우수한 내식성, 내피로성, 높은 비강도를 가지고 있으며, 항공우주 장비의 경량화에 필수적인 역할을 하기 때문에 널리 사용되고 있습니다. 항공 엔진, 항공기, 미사일 등 다양한 분야에 사용됩니다. 첨단 전투기의 고속 및 고기동성이라는 특성을 충족하기 위해서는 항공기 동체의 구조적 강도를 확보하면서 최대한 무게를 줄여야 하며, 동시에 강한 고온 저항성을 가져야 합니다. 티타늄 합금은 가장 큰 비강도(강도-무게비)를 가진 금속 재료입니다. 첨단 전투기의 높은 구조적 강도를 충족하는 동시에 항공기의 무게를 크게 줄이고 구조적 효율을 향상시킬 수 있습니다.
티타늄은 경량, 높은 비강도, 내식성 등 여러 가지 우수한 특성을 가지고 있습니다. 뛰어난 경량, 고융점 구조재, 신기능성 소재, 그리고 중요한 생체 의학 소재입니다. 항공, 우주항공, 선박, 원자력, 화학 산업 등 다양한 분야에 사용됩니다. 석유, 야금, 전력, 경공업, 의료, 스포츠, 환경 보호, 그리고 일상생활 전반에 걸쳐 널리 활용되고 있습니다. 사회 발전에 따라 시장 전망은 점점 더 넓어지고 있습니다. 티타늄은 희소 금속으로 분류되지만, 풍부한 자원으로 사회 발전의 요구를 효과적으로 충족할 수 있습니다. 중국, 미국, 러시아, 일본 등 여러 국가에서 티타늄 야금, 가공, 응용 및 과학 연구 시스템을 구축하고 있으며, 유럽을 비롯한 여러 국가에서도 고급 티타늄 및 그 합금 가공, 응용 및 과학 연구 시스템을 구축하여 고품질 티타늄 소재 생산의 기반을 마련하고 있습니다. 티타늄은 신뢰성이 보장되는 소재이기 때문에 많은 사람들이 연구, 개발, 응용에 힘쓰고 있습니다.
1960년대 후반부터 군용기에 사용되는 티타늄의 양은 해마다 증가해 왔습니다. 현재 유럽과 미국에서 설계한 다양한 첨단 전투기와 폭격기에 사용되는 티타늄 합금의 양은 20% 이상으로 안정화되었고, 미국의 F-22 전투기에 사용되는 티타늄의 양은 41%에 달합니다. 현재 우리나라의 3세대 전투기는 항공기당 약 2.25톤의 티타늄 합금을 사용하는데, 이는 2세대 항공기(J-8 0.2톤)의 12배입니다. 4세대 전투기는 항공기당 최대 약 3.6톤의 티타늄 합금을 사용합니다. 4세대 군용 전투기의 티타늄 합금의 가치, 계획된 사용 및 수량이 증가함에 따라 군용 고급 티타늄 합금에 대한 시장 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상됩니다.
현대전의 발전에 따라 군은 고출력, 장거리, 고정밀, 신속한 대응 능력을 갖춘 다기능 첨단 곡사포 체계를 필요로 합니다. 첨단 곡사포 체계의 핵심 기술 중 하나는 신소재 기술입니다. 자주포 포탑, 구성품, 경금속 장갑차의 소재 경량화는 무기 개발에 있어 필연적인 추세입니다. 역동성과 방호력을 확보한다는 전제 하에 티타늄 합금은 군 무기에 널리 사용되고 있습니다. 155포병 포구 브레이크에 티타늄 합금을 사용하면 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 중력에 의한 포신 변형을 줄여 사격 정확도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 주력전차와 헬리콥터-대전차 다목적 미사일의 일부 복잡한 형상의 구성품도 티타늄 합금으로 제작할 수 있으며, 이는 제품의 성능 요건을 충족할 뿐만 아니라 부품 가공 비용도 절감할 수 있습니다.
오랫동안 티타늄 합금의 적용은 높은 제조 비용으로 인해 크게 제한되어 왔습니다. 최근 몇 년 동안 전 세계 각국은 저비용 티타늄 합금 개발을 활발히 진행하고 있습니다.
티타늄은 1950년대에 개발된 우수한 특성과 풍부한 자원을 가진 금속입니다. 군수 산업에서 고강도 저밀도 소재에 대한 수요가 점차 커짐에 따라 티타늄 합금의 산업화 속도가 크게 가속화되었습니다. 해외에서는 첨단 항공기에 사용되는 티타늄 소재의 무게가 항공기 구조 전체 중량의 30~35%에 달했습니다. 우리나라는 "제9차 5개년 계획" 기간 동안 항공, 항공우주, 조선 등 각 분야의 수요를 충족하기 위해 티타늄 합금을 신소재 개발의 우선순위 중 하나로 삼았습니다. "제10차 5개년 계획"은 우리나라에서 새로운 티타늄 합금 소재와 신공정의 급속한 발전이 이루어질 것으로 예상됩니다.
글로벌 시장 수요 구조 관점에서 티타늄 합금은 주로 항공 산업, 국방 산업 등 다양한 산업에 사용됩니다. 그중 항공 산업의 응용 수요가 약 50%로 가장 크며, 주로 항공기 및 엔진 제조에 사용됩니다. 그러나 중국과 비교했을 때 티타늄 제품 수요 구조는 뚜렷한 차이를 보입니다. 항공우주 및 군수 방위 산업을 발전시킨 북미와 유럽 연합, 특히 미국에서는 티타늄 제품 수요의 50% 이상이 항공우주 및 군수 방위 분야에서 발생합니다. 우리나라는 세계 최대 티타늄 금속 생산국이자 소비국 중 하나이지만, 티타늄 제품 수요의 대부분은 화학 산업에서 발생합니다. 주로 기술 함량이 낮은 내식성 소재에 사용됩니다. 항공우주 분야의 고급 수요는 지난 2년간 수요의 절반 이상을 차지했습니다. 비중은 증가했지만, 여전히 약 18.4%(1만 톤)에 불과하여 국제 평균 수준에 크게 미치지 못합니다. 위 데이터는 선진국과 산업 규모가 큰 국가일수록 티타늄을 더 많이 사용한다는 것을 보여줍니다. 기술적으로 더 발전된 국가일수록 항공우주 산업에서 티타늄 소재가 더 많이 사용되고, 고급 티타늄 소재도 더 많이 사용됩니다.
2. 알루미늄 합금
알루미늄 합금은 경금속 소재 중 하나입니다. 알루미늄에 일정량의 다른 합금 원소를 첨가한 합금입니다. 알루미늄의 일반적인 특성 외에도 높은 강도, 우수한 주조 성능, 소성 가공 성능, 우수한 전기 전도성을 가지고 있습니다. 열전도도, 내식성, 용접성과 같은 특성을 가지고 있습니다. 알루미늄 합금은 낮은 밀도, 우수한 기계적 성질, 우수한 가공 성능, 무독성, 용이한 재활용, 우수한 전기 전도성, 열전달 및 내식성 등의 특성을 가지고 있어 널리 사용됩니다. 현재 해양 산업, 화학 산업, 항공우주 산업, 금속 포장, 운송 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
알루미늄 합금은 군수 산업에서 가장 널리 사용되는 금속 구조재입니다. 알루미늄 합금은 낮은 밀도, 높은 강도, 그리고 우수한 가공 성능을 특징으로 합니다. 구조재로서, 뛰어난 가공 성능 덕분에 다양한 단면의 프로파일, 파이프, 고강성 판재 등으로 제작되어 소재의 잠재력을 최대한 활용하고 부품의 강성과 강도를 향상시킬 수 있습니다. 따라서 알루미늄 합금은 경량 무기에 적합한 경량 구조재로 선호됩니다.
항공 산업에서 알루미늄 합금은 주로 항공기 외판, 칸막이, 롱 빔, 트림 바 제조에 사용됩니다. 항공우주 산업에서 알루미늄 합금은 발사체와 우주선의 구조 부품에 중요한 소재입니다. 무기 분야에서도 알루미늄 합금은 성공적으로 사용되어 왔으며, 보병전투차량과 장갑수송차량에 널리 사용되고 있습니다. 최근 개발된 곡사포 마운트에도 다양한 신규 알루미늄 합금 소재가 사용됩니다.
현재 중국 항공우주 및 조선 분야의 고급 알루미늄 합금은 자체 생산이 가능합니다. 그러나 기술 축적이 미흡하고 생산 공정 관리가 미흡하여 제품 성능의 균일성이 낮거나 합격률이 낮은 문제가 있습니다. 해외 원가와 비교했을 때 관리에 격차가 존재합니다. 그러나 경험 축적과 핵심 기술의 점진적인 혁신을 통해 산업 사슬은 고급 분야로의 발전을 지속적으로 심화하고 있습니다. 현재 알루미늄 합금은 강철에 이어 두 번째로 큰 금속 재료이며 고강도, 고인성, 내식성, 지능화, 정밀화, 소형화 등의 응용 분야로 발전하고 있습니다. 데이터에 따르면 2022년 중국의 국내 알루미늄 합금 생산량은 1,218만 3천 톤으로 전년 대비 14.07% 증가할 것으로 예상됩니다.
3. 마그네슘 합금
마그네슘은 알루미늄, 구리, 아연, 지르코늄, 토륨 및 기타 금속과 합금을 형성할 수 있습니다. 순수 마그네슘에 비해 이 합금은 기계적 성질이 더 우수하고 구조적으로도 우수합니다. 변형 마그네슘 합금은 전반적인 성질은 우수하지만, 마그네슘은 육방정계 격자 구조로 조밀하게 구성되어 있어 소성 가공이 어렵고 비용이 많이 듭니다. 따라서 변형 마그네슘 합금의 소비 전력은 주조 마그네슘 합금보다 훨씬 적습니다. 주기율표에는 마그네슘과 합금할 수 있는 수십 가지 원소가 있습니다.
20세기 이후 마그네슘 합금은 항공우주 분야에서 사용되어 왔습니다. 마그네슘 합금은 항공기의 공기역학적 성능을 크게 향상시키고 구조적 무게를 크게 줄일 수 있기 때문에 많은 부품에 사용되고 있습니다. 일반적으로 항공 분야에 사용되는 마그네슘 합금은 주로 판재와 압출 프로파일이며, 일부는 주조재로 사용됩니다. 현재 항공 분야에서 마그네슘 합금의 응용 분야는 민간 항공기 부품, 프로펠러, 기어박스, 브래킷 구조물, 그리고 다양한 민간 및 군용 항공기의 로켓, 미사일, 위성 부품 등입니다. 마그네슘 합금 생산 기술의 발전으로 성능이 지속적으로 향상되고 적용 범위도 확대될 것입니다.
마그네슘 합금은 다른 소재보다 훨씬 뛰어난 경량성, 가공성, 내식성, 충격 흡수력, 치수 안정성, 내충격성을 갖추고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 마그네슘 합금은 운송, 전자 산업, 의료, 군수 산업 등 광범위한 분야에 사용될 수 있습니다. 이러한 추세는 계속 증가하고 있습니다. 특히 3C 제품(컴퓨터, 가전제품, 통신), 고속철도, 자동차, 자전거, 항공우주, 건축 장식, 휴대용 공구, 의료 재활 장비 등 다양한 분야에서 마그네슘 합금의 응용 전망과 잠재력은 매우 높습니다. 마그네슘 합금은 미래 신소재 개발 방향 중 하나로 자리매김하고 있습니다. 공업정보화부(MIIT)가 "12차 5개년 계획" 기간 동안 개발 지원을 위해 지정한 400개 이상의 신소재 목록 중 12개가 마그네슘과 관련이 있습니다.
군용 장비에 마그네슘 합금을 사용하면 구조 부품의 강도를 높이고 장비 무게를 줄이며 무기의 명중률을 높일 수 있습니다. 동시에 마그네슘 합금은 항공우주와 같은 첨단 기술 분야에서 재료 소음 흡수, 충격 흡수 및 방사선 방호에 대한 요구를 충족하고 항공기의 공기 역학적 성능을 크게 향상시키며 구조적 무게를 줄일 수 있습니다. 따라서 마그네슘 합금은 항공기 및 육상 차량의 캐비닛, 벽면 패널, 브래킷, 휠 허브뿐만 아니라 엔진 실린더 블록, 실린더 헤드 케이스, 피스톤 등의 부품 제조에 널리 사용됩니다. 벙커 지지대, 박격포 기지, 미사일 등과 같은 일부 군용 장비 제조에도 마그네슘 합금이 사용됩니다. 마그네슘 합금 연구가 심화되고 재료 특성이 향상됨에 따라 마그네슘 합금은 무기에 점점 더 많이 사용될 것입니다.
4. 고온 합금
고온 합금은 일반적으로 철, 니켈, 코발트를 모재로 사용하는 금속 재료를 말하며, 응력과 고온(600°C 이상)의 동시 작용 하에서도 우수한 재료 강도, 피로 저항성, 크리프 저항성을 유지할 수 있습니다. 현재 고온 합금은 주로 항공 엔진의 네 가지 고온부 구성품, 즉 연소실, 가이드, 터빈 블레이드, 터빈 디스크에 사용됩니다. 또한 케이싱, 링, 애프터버너, 테일 노즐에도 사용됩니다. 고온 합금은 광범위한 응용 분야를 가지고 있어 항공 엔진 개발을 촉진하는 데 가장 중요한 구조 재료입니다. 항공 엔진의 기술 발전은 고온 합금의 개발과 밀접한 관련이 있습니다.
고온 합금은 우수한 특성을 지니고 있으며 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 고온 합금은 철, 니켈, 코발트를 기반으로 600°C 이상의 고온에서 특정 응력 하에서 장시간 작동할 수 있는 금속 재료를 말합니다. 고온 합금은 높은 고온 강도, 우수한 산화 및 내부식성, 우수한 피로 저항성, 파괴 인성 등 다양한 특성을 가지고 있으며, "초합금"이라고도 합니다. 고온 합금의 응용 분야를 살펴보면, 토목 산업 분야에서는 디젤 엔진 부스터 터빈, 연도 가스 터빈 블레이드 및 디스크, 야금 압연 강재 가열로 패드, 내연 기관 배기 밸브 시트 등에 사용될 수 있습니다. 또한, 고온 합금의 응용 범위는 최근 몇 년 동안 지속적으로 확대되어 왔으며, 석유화학, 유리 및 유리 섬유, 기계 제조 산업에서의 응용 분야에서 상당한 진전을 보이고 있습니다. 군수 산업 분야에서 니켈 기반 고온 합금은 현재 현대 항공우주 엔진, 우주선 및 로켓 엔진, 선박 및 산업용 가스터빈의 핵심 고온 부품 소재입니다. 또한, 원자로, 화학 장비, 석탄 전환 기술 등에 필요한 중요한 고온 구조재이기도 합니다. 군수 및 민수 분야의 중요한 소재로서 고온 합금은 광범위한 적용 분야를 가지고 있으며, 중요한 경제적, 전략적 중요성을 지닙니다.
관얀톈샤(Guanyan Tianxia)의 데이터에 따르면, 중국의 고온 합금 시장 규모는 2015년 78억 위안에서 2020년 187억 위안으로 5년 만에 3배 증가했습니다. 앞으로 군용 항공우주 엔진에 대한 막대한 내생적 수요가 발생함에 따라, 2025년까지 중국의 고온 합금 산업 시장 규모는 856억 위안에 달할 것으로 예상되며, 연평균 성장률은 35.56%에 달할 것으로 전망됩니다.
5. 초고강도강
초고강도강은 더 높은 응력을 견딜 수 있는 구조용 부품 제작에 사용되는 합금강의 한 종류입니다. 일반적으로 항복강도가 1180MPa 이상이고 인장강도가 1380MPa 이상인 강은 충분한 인성, 높은 비강도 및 항복비, 그리고 우수한 용접성과 성형성을 갖습니다. 합금화 정도와 미세조직에 따라 저합금강, 중합금강, 고합금 초고강도강의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 2018년 2월, 응집성 나노침전 강화법을 기반으로 한 차세대 초고강도강이 개발되어 2017년 중국 과학기술부로부터 10대 과학기술 성과로 선정되었습니다.
중국은 1950년대에 초고강도강의 시범 생산을 시작했습니다. 국내 자원 여건을 활용하여 35Si2Mn2MoVA, 40CrMnSiMoVA, 33Si2MnCrMoVREA와 같은 저합금 초고강도강을 성공적으로 개발했습니다. 이러한 소재는 항공기 랜딩 기어 및 고체 로켓 모터 케이싱과 같은 중요 부품 제조에 사용되었습니다. 1980년 이후에는 진공 제련 기술을 활용하여 강의 순도를 향상시켰고, 40CrNi2Si2MoVA, 45CrNiMo1VA, 18Ni 마레이징강의 시범 생산에 성공했습니다. 초고강도강의 개발 및 응용 분야에서 괄목할 만한 진전을 이루었습니다. 1990년대 이후, 새로운 소재와 새로운 공정에 대한 연구에서 새로운 획기적인 진전이 이루어졌으며, 항공 및 항공우주 분야에서 높은 파괴인성을 갖춘 초고강도 강철의 개발과 응용 분야에서도 새로운 진전이 이루어졌습니다.
6. 텅스텐 합금
금속 중 텅스텐은 녹는점이 가장 높고, 고온 강도, 크리프 저항성, 열전도도, 전기 전도성, 전자 방출 특성이 우수하며, 비중도 높습니다. 텅스텐과 그 합금은 다양한 초경합금 및 합금 첨가제 외에도 전자 및 광원 산업에서 널리 사용되고 있으며, 항공우주, 주조, 무기 및 기타 분야에서 로켓 노즐, 다이캐스팅 금형, 장갑 관통 코어, 접점, 발열체 및 열 차폐막 등을 제조하는 데에도 사용됩니다.
텅스텐은 금속 중 가장 높은 녹는점을 가지고 있습니다. 높은 녹는점 덕분에 고온 강도와 내식성이 우수하다는 것이 텅스텐의 뛰어난 장점입니다. 특히 무기 제조 분야에서 군사 산업에서 탁월한 특성을 발휘하고 있습니다. 무기 산업에서는 주로 다양한 철갑탄의 탄두 제작에 사용됩니다. 텅스텐 합금은 분말 전처리 기술과 대변형 강화 기술을 통해 재료의 결정립을 미세화하고 결정립 방향을 길게 하여 강도, 인성, 관통력을 향상시킵니다. 우리나라가 개발한 125II형 철갑탄의 텅스텐 심재는 가변 밀도 압축 소결 공정을 채택한 W-Ni-Fe입니다. 평균 인장 강도는 1,200MPa, 신장률은 15% 이상, 전투 기술 지수는 2,000m에 달합니다. 600mm 두께의 균질 강철 장갑을 관통할 수 있습니다. 현재 텅스텐 합금은 주력전차 대구경 철갑탄, 소·중구경 대공 철갑탄, 초고속 운동에너지 철갑탄의 핵심소재로 널리 사용되고 있으며, 이를 통해 각종 철갑탄의 관통력이 더욱 강력해졌습니다.
과학 발전의 진전과 함께 텅스텐 합금 소재는 오늘날 총알, 장갑 및 포탄, 파편 머리, 수류탄, 산탄총, 총알 탄두, 방탄 차량, 장갑 탱크, 군용 항공기, 포병 부품, 총기 등 군수품을 만드는 원자재가 되었습니다. 텅스텐 합금으로 만든 장갑 관통탄은 큰 각도로 장갑 및 복합 장갑을 관통할 수 있으며 주요 대전차 무기입니다.
7. 금속 기질 복합재
금속 매트릭스 복합재료는 높은 비강도, 높은 비탄성률, 우수한 고온 성능, 낮은 열팽창 계수, 우수한 치수 안정성, 우수한 전기 및 열 전도성을 가지며 군수 산업에서 널리 사용되고 있습니다.알루미늄, 마그네슘, 티타늄은 금속 매트릭스 복합재료의 주요 매트릭스입니다.강화재는 일반적으로 섬유, 입자, 휘스커의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.그 중 입자 강화 알루미늄 매트릭스 복합재료는 F-16 전투기에 사용되는 것과 같은 모델 검증에 들어갔습니다.배면 핀은 알루미늄 합금을 대체하여 강성과 수명이 크게 향상되었습니다.탄소 섬유 강화 알루미늄 및 마그네슘 기반 복합재료는 높은 비강도를 가질 뿐만 아니라 0에 가까운 열팽창 계수와 우수한 치수 안정성을 가지고 있습니다.이들은 인공위성 브래킷, L-밴드 평면 안테나, 우주 망원경 및 인공위성을 만드는 데 성공적으로 사용되었습니다.파라볼라 안테나 등; 탄화규소 입자 강화 알루미늄 매트릭스 복합재는 우수한 고온 성능과 내마모성을 갖추고 있어 로켓 및 미사일 부품, 적외선 및 레이저 유도 시스템 부품, 정밀 항공전자 장치 등에 사용될 수 있습니다. 탄화규소 섬유 강화 티타늄 매트릭스 복합재는 우수한 고온 내성과 내산화성을 갖추고 있어 추력대중량비가 높은 엔진에 이상적인 구조재입니다. 현재 첨단 엔진의 시험 단계에 진입했습니다. 무기 산업 분야에서 금속 매트릭스 복합재는 대구경 꼬리 안정 장갑 관통형 사보, 대헬리콥터/대전차 다목적 미사일 고체 엔진 케이싱 및 기타 부품에 사용되어 탄두 무게를 줄이고 전투력을 향상시킬 수 있습니다.
금속기지 복합재료가 등장한 지 40년이 넘었습니다. 높은 비강도, 비탄성률, 고온 저항성, 내마모성, 낮은 열팽창 계수, 우수한 치수 안정성 등 뛰어난 물리적·기계적 특성 덕분에 수지 기반 재료의 한계를 극복해 왔습니다. 항공우주 분야에서 사용되는 복합재료의 단점은 눈부신 발전을 이루었으며, 여러 국가에서 첨단 연구 개발의 중요한 분야로 자리 잡았습니다. 금속기지 복합재료는 가공 기술이 불완전하고 비용이 높아 대량 생산이 아직 이루어지지 않아 현재 연구 개발의 핵심 분야입니다.