항공기 재료공학에서 본 알루미늄 합금 2024, 7075 특성 비교

항공우주공학 및 기계공학 분야에서 구조 재료는 비행기의 성능, 안전성, 연비 등에 지대한 영향을 미칩니다. 그중에서도 알루미늄 합금은 가벼우면서도 우수한 기계적 성질을 지니고 있어, 항공기 구조물의 핵심 재료로 오랜 기간 사용되어 왔습니다. 특히 2024 합금과 7075 합금은 항공기용 알루미늄 합금 중에서도 대표적인 두 종류로, 각각의 합금은 용도와 특성에 따라 사용 부위가 달라집니다.

이번 글에서는 재료공학의 관점에서 이 두 알루미늄 합금의 화학 조성, 기계적 성질, 용도, 부식 저항성, 가공성 등을 종합적으로 비교 분석하도록 하겠습니다.

 

 

 

2024 알루미늄 합금의 재료공학적 특성과 용도

2024 알루미늄 합금은 구리를 중심 합금원소로 사용하는 Al-Cu 계열로, 열처리를 통해 강도가 향상되는 구조용 소재입니다.

재료공학적으로 이 합금은 다음과 같은 특성을 가집니다.

1. 우수한 인장 강도와 피로 저항성
   2024-T3 조건에서의 인장 강도는 약 470 MPa 수준으로, 구조 재료로 사용하기에 적합한 강도를 제공합니다. 또한 피로 저항성이 뛰어나 반복 하중을 받는 항공기 동체나 날개 구조물에 적합합니다.
2. 제한적인 부식 저항성
   구리가 고농도로 포함되어 있어 전기화학적 부식 저항성은 낮은 편입니다. 이에 따라 실질 사용 시에는 알클래딩(Alclad) 처리를 하여 표면에 고순도 알루미늄을 덧입힘으로써 내식성을 보완합니다.
3. 양호한 가공성과 용접성 제한
   절삭 가공은 우수하지만, 용접성은 상대적으로 떨어져 대부분 리벳 접합 방식이 사용됩니다.
4. 주요 적용 분야
   2024 합금은 항공기 동체, 리벳, 스트링거, 프레임 등의 부품에 많이 쓰이며, 강도 대비 가벼운 특성을 중요시하는 구조 부위에 적합합니다.

 

7075 알루미늄 합금의 구조 재료 성능 분석

Al-Zn-Mg-Cu 계열에 속하는 7075 알루미늄은 아연과 마그네슘, 구리를 적절히 배합한 고강도 합금으로, 아연 약 6%, 마그네슘 2~2.5%, 구리 1% 이상을 함유하고 있으며, 재료공학적 특징은 다음과 같습니다.

1. 매우 높은 인장 강도와 항복 강도
   T6 조건에서의 인장 강도는 약 570~600 MPa, 항복 강도는 500 MPa를 초과하는 경우도 있어, 알루미늄 합금 중 최고 수준의 강도를 가집니다. 이는 고하중 부위에 적합한 특성입니다.
2. 열처리 경화에 따른 조직 강화
   재료 내에 η(MgZn₂) 석출상이 분산되어 결정립계를 강화하며, 이로 인해 뛰어난 항복 강도를 유지할 수 있습니다.
3. 부식 저항성의 한계와 보완 대책
   2024보다 부식 저항성이 다소 개선되었으나, 해양 환경이나 전해질 존재 시에는 여전히 응력부식균열(SCC)에 취약합니다. 따라서 크로메이트 처리 또는 알클래딩 등 부식 방지 처리가 중요합니다.
4. 열악한 용접성과 뛰어난 가공성
   7075는 용접 시 열영향부에서의 균열 발생 가능성이 크므로 용접에는 적합하지 않습니다. 반면 절삭가공성과 성형성은 우수한 편입니다.
5. 주요 적용 분야
   항공기의 날개 구조물, 착륙장치, 연결 브라켓, 고하중 지지 부재 등에 사용되며, 고강도와 강성 요구가 큰 부위에서 활용됩니다.

 

7075 알루미늄 합금의 항공우주 적용 특성과 설계 기준

7075 알루미늄 합금은 단순히 고강도 재료로 분류되기보다는, 항공우주공학과 금속공학의 관점에서 석출경화 메커니즘의 전형적인 사례로 분석됩니다.

열처리를 통해 형성되는 MgZn₂(η 석출상)는 결정립계와 내부에 미세하게 분포하면서 전위의 움직임을 억제하고, 항복 강도와 인장 강도를 동시에 크게 향상시킵니다. 이러한 특성은 특히 고속 회전체, 하중지지 프레임, 착륙장치 스트럿 등에서의 적용에 유리하며, 기계공학적으로도 강성 대 밀도비가 탁월한 점이 구조 해석 및 설계 최적화에서 큰 이점을 제공합니다.

 

한편, 7075 합금은 응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)에 대한 민감성이 상대적으로 높아, 표면 보호 처리가 필수적으로 수반됩니다. 일반적으로 Alclad 처리나 아노다이징, Shot Peening 기법 등을 통해 국부적 균열의 발생을 제어하며, 열처리 상태도 SCC에 강한 T73 등으로 조정되는 경우가 많습니다. 재료공학 실무에서는 이러한 표면 공정 조건까지 포함하여 합금의 전반적인 신뢰성을 평가하고 있습니다.

 

최근에는 7075 합금의 상세 물성치를 기반으로 한 전산 구조해석(CAE)이 항공우주 설계 과정에서 핵심 도구로 사용되고 있습니다. 항복 조건, 파괴 인성, 탄성 계수, 이방성 계수 등은 FEM 해석의 입력 변수로 활용되어, 실제 운용 중 발생 가능한 피로 파괴, 좌굴, 동적 하중 응답까지 예측할 수 있는 특징이 있습니다. 이는 재료공학과 기계공학 간의 융합 분석이 항공기 구조의 성능 최적화를 이끄는 대표적인 사례로 볼 수 있습니다.

 

이처럼 7075 알루미늄 합금은 그 자체만으로도 고강도 재료로 우수하지만, 그 활용성은 열처리, 표면처리, CAE 기반 설계 기술과 결합될 때 더욱 극대화됩니다. 향후에는 복합재료와의 하이브리드 구조 내 삽입재나 보강재로써의 가능성도 열려 있으며, 재료공학적 지속 연구와 항공우주 응용 설계가 이를 뒷받침하고 있습니다.

 

2024와 7075 알루미늄 합금의 기계적 성질 비교

항목	2024 알루미늄 합금	7075 알루미늄 합금
주합금 원소	구리(Cu)	아연(Zn), 마그네슘(Mg), 구리(Cu)
인장 강도 (T3/T6 기준)	약 470 MPa	약 570~600 MPa
항복 강도	약 325 MPa	약 500 MPa
밀도	약 2.78 g/cm³	약 2.81 g/cm³
피로 저항성	우수	양호
부식 저항성	낮음 (알클래딩 필요)	중간 수준 (표면처리 권장)
용접성	낮음	매우 낮음
가공성	우수	우수
주요 용도	동체, 프레임, 리벳	날개, 착륙장치, 고하중 부위

 

 

항공우주공학에서의 적용 기준과 선택 전략

재료공학적으로 2024와 7075 합금의 가장 큰 차이는 강도와 내식성입니다. 항공우주공학에서는 하중 조건에 따라 다음과 같이 합금을 구분하여 사용하고 있습니다.

• 동체 및 내피 구조: 상대적으로 하중이 분산되는 부분에서는 피로 저항성이 높은 2024가 우선 고려됩니다. 이 부위는 리벳이나 클램프와의 결합이 많기 때문에 가공성 또한 중요한 요소입니다.
• 날개, 착륙장치 등 고하중 구조물: 높은 항복 강도와 경량 구조가 요구되는 부위에는 7075가 적합합니다. 특히 고속 비행 중 발생하는 동적 하중에 대해 강도가 충분히 확보되어야 하므로 7075의 적용 빈도가 높습니다.
• 방위산업 및 민항기 차이: 군용 항공기에서는 극한 성능을 위해 7075 사용 비중이 높지만, 상용 민항기에서는 내식성과 안정성을 위해 2024의 사용이 더 많습니다.

 

금속공학 기반 열처리와 조직 제어의 차이점

7075와 2024 모두 금속공학 관점에서 석출경화(Precipitation Hardening) 메커니즘을 활용하여 강화되는 재료입니다. 이 메커니즘은 고온 열처리 후 냉각 및 인공 시효 과정을 통해 미세한 석출상이 형성되면서 결정 내 전위 이동을 저지하고, 그 결과 기계적 강도가 크게 향상할 수 있습니다.

특히 두 합금 모두 고온에서의 열처리 조건, 석출상의 조성 및 분포, 결정립계 강화 수준 등이 최종 강도, 인성, 피로 저항성 등을 결정하는 핵심 변수로 작용합니다. 따라서 재료 선택뿐 아니라 공정 변수 설정에서도 이들의 석출 거동 특성이 중요한 기준이 됩니다.

항공기 제작 과정에서는 이들 합금의 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE), 전기전도도, 피로균열 성장률(da/dN) 등의 금속공학적 물성이 정량적으로 확보되어야 하며, 이는 기계공학적 구조해석(Finite Element Analysis, FEA)과의 연계 하에 실제 부품의 수명 예측, 응력 분포 계산, 변형 분석 등에 반영되고 있습니다.

또한 최근에는 탄성 계수(Young’s Modulus), 파괴 인성(KIC), 크리프 저항성, 응력-시간 그래프 거동 등도 함께 고려되며, 이는 고온 고하중 환경에서의 내구성 평가와 피로 수명 예측에 있어 필수적인 설계 인자로 활용되고 있습니다.

이처럼 재료공학적 데이터와 기계적 시뮬레이션의 융합은 항공우주공학에서의 최적 설계 전략을 실현하는 핵심 도구로 자리 잡고 있다는 점을 알 수 있습니다.

 

알루미늄 합금의 향후 적용성과 소재 진화 방향

재료공학은 현재 알루미늄 합금의 성능을 극대화하기 위해 다음과 같은 연구를 지속하고 있습니다.

1. 복합재료와의 하이브리드 구조 적용
   알루미늄-탄소섬유 복합재 구조가 차세대 항공기에서 활용되며, 알루미늄 합금의 적용 범위가 더욱 정교하게 구분되고 있습니다.
2. 신규 알루미늄 합금 개발
   최근에는 Al-Li 합금처럼 기존보다 더 가볍고 강한 재료가 개발되면서, 2024와 7075의 대체 가능성도 연구되고 있습니다.
3. 표면 처리 기술의 고도화
   나노 코팅, 복합 크로메이트 처리 등 부식 저항성 향상을 위한 기술이 발전하며, 특히 7075의 단점 보완이 활발히 이루어지고 있습니다.

 

 

2024와 7075 알루미늄 합금은 각각의 장단점을 가지고 있고 항공기 설계 목적에 따라 선택적으로 사용됩니다. 재료공학의 시각에서는 단순한 강도 비교를 넘어서, 합금의 석출 메커니즘, 내환경성, 가공성 등을 종합적으로 고려하여 재료를 설계하는 것이 필수적입니다. 앞으로도 경량화와 고강도화의 조화를 추구하는 항공우주공학 분야에서는 이 두 합금에 대한 이해가 기반이 되어야 할 것입니다.