목적: 선택적 레이저용융법(selective laser melting, SLM)으로 제작한 코발트-크롬 합금은 주조법으로 제작한 코발트-크롬 합금(cobalt-chromium, Co-Cr)에 비해 향상된 기계적 특성을 나타낸다. 하지만 급속 가열과 냉각에 의해 초래되는 불균질한 미세구조와 과도한 잔류응력으로 인해 제작 후 직접적으로 임상에 적용하기 어렵고, 후속적인 열처리가 필요하다. 본 연구에서는 주조법(casting)과 선택적 레이저용융법으로 코발트-크롬 합금을 제작하여 미세구조와 기계적 특성을 비교하였고, 선택적 레이저용융법으로 제작한 코발트-크롬 합금을 다양한 온도에 따라 열처리 후 미세구조, 잔류응력 및 기계적 특성의 변화를 평가하고 비교하였다.
재료 및 방법: 주조법(cast Co-Cr)과 SLM 방법(SLM Co-Cr)으로 미세구조, 잔류응력 분석과 경도 시험을 위한 디스크 시편과 인장 시험을 위한 ISO 22674:2016 규격의 덤벨 형태 인장 시편을 제작하였다. 각 그룹당 디스크 시편 2개, 인장 시험 시편 5개씩 제작하였다. SLM Co-Cr 합금(as-SLM)은 잔류응력, 미세구조 및 기계적 특성의 변화 비교를 위해 750℃ (SLM 750), 950℃ (SLM 950), 1150℃ (SLM 1150)에서 열처리를 시행하였다. SEM, EDS, EBSD를 이용하여 미세구조를 분석하였고, XRD 잔류응력측정기를 이용하여 잔류응력을 측정하였다. 비커스경도 시험과 인장 시험으로 기계적 특성을 평가하였다. 인장 시험 후 파면조직시험을 시행하였다. Cast Co-Cr 군과 SLM Co-Cr 군의 비교를 위해 Kruskal-Wallis test 시행 후 본페로니 교정으로 사후 분석 시행하였고, 열처리에 따른 비교를 위해 일원배치분산분석 후 터키 검증을 시행하였다.
결과: As-SLM 군에서 다공성 감소, 결정립 미세화, 고용한계 증가, 높은 잔류응력이 관찰되었고, 주조법에 비해 극한인장강도, 항복강도, 경도가 유의하게 높았다(P < .05). 열처리에 따라 미세구조, 잔류응력 및 기계적 특성의 큰 변화가 나타났고, 강도 및 경도는 연신율과 반대의 경향을 나타냈다. SLM 750 군에서 미세구조의 균질화, 석출물 증가, HCP phase 증가가 나타났고, as-SLM 군에 비해 극한인장강도, 항복강도, 경도가 유의하게 증가하였으나(P < .05), 연신율은 감소하였다(P < .05). SLM 950 군에서 석출물의 수는 감소하지만 크기가 증가하고, HCP phase가 감소하였다. SLM 1150 군에서 석출물은 거의 관찰되지 않고, HCP phase가 더욱 감소하였다. SLM 750 군에 비해 SLM 950, SLM 1150 군의 극한인장강도, 항복강도, 경도가 유의하게 낮았고(P < .05), 연신율은 유의하게 높았다(P < .05). As-SLM 군에 비해 SLM 1150 군의 극한인장강도와 SLM 950 군과 SLM 1150 군의 항복강도, 경도가 유의하게 낮았고(P < .05), SLM 950 군과 SLM 1150 군의 연신율은 유의하게 높았다(P < .05). 750℃ 열처리 시에 Type Ⅰ 잔류응력이 약 93% 감소하였으나, 1150℃ 열처리 후에도 Type Ⅱ, Ⅲ 잔류응력은 잔존하였다.
결론: 잔류응력의 감소와 미세구조의 균질화 및 기계적 특성을 고려하면 950℃ 이상의 온도에서 열처리 하는 것이 적절하다.
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주요어
: 코발트-크롬 합금, 적층 제조, 선택적 레이저용융, 잔류응력, 열처리

Purpose: The cobalt-chromium (Co-Cr) alloy fabricated by the selective laser melting (SLM) method shows improved mechanical properties compared to those of Co-Cr alloy fabricated by casting method. However, due to inhomogeneous microstructures and excessive residual stresses caused by rapid heating and cooling, as-SLM Co-Cr alloy cannot be used directly in clinical applications, thus, subsequent heat treatment is required. In this study, the Co-Cr alloys were prepared by casting method and SLM method to compare the microstructures and mechanical properties. After the Co-Cr alloys prepared by SLM method were heated to different temperatures, and the changes in the microstructures, residual stresses, and mechanical properties were evaluated and compared.
Materials and Methods: Disc specimens for the microstructures and residual stresses analysis and hardness testing, and dumbbell-shaped tensile specimens of ISO 22674:2016 standard for tensile testing were fabricated by casting method (Cast Co-Cr) and SLM method (SLM Co-Cr). Two disc specimens and 5 tensile specimens were prepared for each group. SLM Co-Cr (as-SLM) was heated to 750℃ (SLM 750), 950℃ (SLM 950), and 1150℃ (SLM 1150) to compared changes in the microstructures, residual stresses, and mechanical properties. The microstructures were analyzed via SEM, EDS, and EBSD, and residual stresses were measured via a XRD for residual stresses. The mechanical properties were evaluated by a Vickers hardness test and a tensile test. After the tensile test, fractography was performed. For comparison between cast Co-Cr group and SLM Co-Cr group, Kruskal-Wallis test was performed, followed by a post-hoc analysis by Bonferroni correction. For comparison according to heat treatments, one-way ANOVA and Tukey HSD test were used.
Results: In the as-SLM group, decreases in porosity, grain refinement, increases in solid solution limit, and high residual stresses were observed, and ultimate tensile strength (UTS), yield strength (YS), and hardness were significantly higher than those of cast Co-Cr group (P < .05). According to the heat treatments, the microstructures, residual stresses, and mechanical properties were drastically changed, and the strength and hardness showed a tendency opposite to the elongation. In the SLM 750 group, the microstructures were homogenized, the precipitates increased, and the HCP phase was increased, and the UTS, YS, and hardness were significantly increased (P < .05), but the elongation decreased compared to the as-SLM group (P < .05). In the SLM 950 group, the number of precipitates decreased, but the size increased, and the HCP phase decreased. Almost no precipitates were observed in the SLM 1150 group, and the HCP phase was further reduced. Compared to the SLM 750 group, the UTS, YS, and hardness of the SLM 950 and SLM 1150 groups were significantly lower (P < .05), and the elongation was significantly higher (P < .05). Compared the as-SLM group, the UTS of the SLM 1150 group and the YS and hardness of the SLM 950 and SLM 1150 groups were significantly lower (P < .05), and the elongation of the SLM 950 and SLM 1150 groups was significantly higher (P < .05). Type Ⅰ residual stresses decreased by 93% at 750℃ heat treatment, but Type Ⅱ and Ⅲ residual stresses remained even after 1150℃ heat treatment.
Conclusions: Considering the reduction of residual stresses, homogenization of microstructures, and mechanical properties, it is appropriate to heat treatment at a temperature of 950℃ or higher.
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Key Words
: Cobalt-chromium alloy, additive manufacturing, selective laser melting, residual stress, heat treatment