(57)【要約】  高温用物品が提供される。物品は、基板と、基板上に配置された遮熱コーティングとを含む。遮熱コーティングは、無機バインダーに分散された複数のアルミニウム系粒子を含み、アルミニウム系粒子は、遮熱コーティングが実質的に電気的および熱的に絶縁されるように、無機バインダーを介して互いに実質的に離間している。物品を調製する方法も提供される。
2020525325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と；
前記基板上に配置された遮熱コーティングであって、無機バインダーに分散された複数のアルミニウム系粒子を含み、前記アルミニウム系粒子が、遮熱コーティングが実質的に電気的および熱的に絶縁されるように、前記無機バインダーを介して互いに実質的に離間している遮熱コーティングと
を含む物品。
【請求項２】
前記遮熱コーティング中の前記複数のアルミニウム系粒子の平均ドメインサイズが、約０．５ミクロン〜約３０ミクロンの範囲である、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記遮熱コーティング中の前記無機バインダーの平均ドメインサイズが、約０．５ミクロン〜約５ミクロンの範囲である、請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記複数のアルミニウム系粒子が、前記遮熱コーティング中に約２０体積パーセント〜約７０体積パーセントの範囲の量で存在し、前記無機バインダーが、前記遮熱コーティング中に約３０体積パーセント〜約８０体積パーセントの範囲の量で存在する、請求項１に記載の物品。
【請求項５】
前記複数のアルミニウム系粒子が、アルミニウム金属、アルミナ、アルミニウム合金またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の物品。
【請求項６】
前記無機バインダーが、クロメート、ホスフェート、モリブデート、バナデート、タングステートまたはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記無機バインダーが六価クロムを実質的に含まない、請求項１に記載の物品。
【請求項８】
前記複数のアルミニウム系粒子がコア−シェル構造を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項９】
前記コア−シェル構造のコアがアルミニウム金属を含み、前記コア−シェル構造のシェルが前記無機バインダーとアルミニウムおよびアルミナの一方または両方の複合体を含む、請求項８に記載の物品。
【請求項１０】
自動車部品、機関車部品、海洋部品または医療部品を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項１１】
ディーゼルエンジン部品を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項１２】
基板と；
前記基板上に配置された遮熱コーティングであって、無機バインダーに分散された複数のアルミニウム系粒子を含み、前記複数のアルミニウム系粒子が、コア−シェル構造を含み、前記コア−シェル構造のコアがアルミニウム金属を含み、前記コア−シェル構造のシェルが前記無機バインダーとアルミニウムおよびアルミナの一方または両方の複合体を含む遮熱コーティングと
を含む自動車部品
を含む物品。
【請求項１３】
前記基板が、アルミニウム、鉄またはこれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載の物品。
【請求項１４】
前記自動車部品が、ピストン、バルブ、シリンダーヘッド、排気管、ターボハウジング、触媒容器、排気マニホールドまたはこれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載の物品。
【請求項１５】
基板上に遮熱コーティングを形成する方法であって、
（ｉ）複数のアルミニウム系粒子および無機バインダーを含むスラリーを前記基板の表面と接触させて、スラリーコーティングを形成するステップと；
（ｉｉ）前記スラリーコーティングを硬化して、前記遮熱コーティングを形成するのに十分な条件下で前記スラリーコーティングを熱処理するステップと
を含み、前記アルミニウム系粒子が、前記遮熱コーティングが実質的に電気的および熱的に絶縁されるように、前記遮熱コーティング中の前記無機バインダーを介して互いに実質的に離間している、方法。
【請求項１６】
前記スラリー中の前記アルミニウム系粒子と前記無機バインダーの体積比が約０．６７〜約１の範囲である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のアルミニウム系粒子から前記基板の表面領域にアルミニウムを拡散させるのに十分な温度よりも低い温度で前記スラリーコーティングを熱処理する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記スラリーコーティングを３００℃より低い温度で熱処理する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数のアルミニウム系粒子が、アルミニウム金属、アルミナ、アルミニウム合金またはこれらの組み合わせを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記無機バインダーが、クロメート、ホスフェート、モリブデート、バナデート、タングステートまたはこれらの組み合わせを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記無機バインダーが六価クロムを実質的に含まない、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、高温用物品に使用されるコーティングに関する。より具体的には、本開示は、遮熱コーティングを含む物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
遮熱コーティングは、典型的には高温で動作する、または高温にさらされる物品、例えばガスタービンエンジンに使用される。自動車産業において遮熱コーティングを使用すると、エンジン効率に大きな効果を及ぼすことも分かっている。遮熱コーティングは、典型的にはより高い動作温度を可能にし、それによってより高い燃料効率を可能にする。
【０００３】
遮熱コーティング材料の選択は、高い融点、室温と動作温度の間の相転移がない／最小限の相転移、低熱伝導率、化学的不活性、下にある基板との熱膨張の整合、および下にある基板との良好な接着性などの要件によって制限される。典型的には、セラミック（例えば、イットリア安定化ジルコニア、ジルコネート、パイロクロアなど）が遮熱コーティング材料として首尾よく使用されてきた。しかしながら、自動車用途などの用途では、セラミック材料は費用対効果が低く、金属基板とセラミック材料との間の化学的適合性が低いために、下にある金属基板（例えば、アルミニウム系基板）との接着性が悪いことに悩まされ得る。
【０００４】
アルミニウム系コーティングとアルミナ系コーティングの両方が当技術分野で知られており、例えば、超合金基板用の拡散コーティングとして、または鋼基板用の犠牲耐ガルバニック腐食（ｇａｌｖａｎｉｃ  ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  ｒｅｓｉｓｔａｎｔ）コーティングとして使用されている。
【０００５】
典型的には、高温タービンエンジン用途に使用されるコバルトまたはニッケル基超合金は、材料の析出強化のための重要な成分であるアルミニウムを含有する。しかしながら、長時間にわたって酸化温度にさらされると、表面でアルミニウムが枯渇する場合がある。アルミニウムの損失は超合金の完全性に有害となり得るため、このような損失に対抗するための技術が調査されてきた。超合金基板の（すなわち、その表面領域の）アルミニウム含有量を増加させる１つの方法は、しばしば当技術分野で「アルミナイジング（ａｌｕｍｉｎｉｄｉｎｇ）」または「アルミナイジング（ａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇ）」と呼ばれる。このような方法では、アルミニウムまたはアルミナ系コーティングを（例えば、バインダーを含むスラリーとして）基板上に施し、コーティングを８７０℃超の温度で拡散熱処理に供することによって、アルミニウムを基板に導入する。温度が上昇すると、アルミニウムが溶融して下にある基板に拡散し、種々の金属間化合物、例えば金属−アルミナイド化合物が形成される。例えば、ニッケル基超合金基板の場合、アルミニウムが拡散して、ニッケルと結合し、種々のニッケル−アルミナイド合金を形成する。したがって、金属アルミナイドに基づく拡散コーティングは、実質的に高い温度（８７０℃超）を使用した熱処理を必要とする。このような高温では、コーティングの堆積に使用されるバインダー成分が、典型的には揮発し、熱処理後の最終コーティングは金属アルミナイドから本質的になる。
【０００６】
応力腐食割れを防止／最小化するために、高強度鋼用の耐食性コーティングが開発されてきた。一般的な市販のコーティングの１つは、ホスフェートおよびクロメートなどの陰イオンを含有する酸性溶液中にアルミニウム系分散液を含有する水系スラリーを使用している。熱および硬化にさらされると、これらのスラリーは不溶性の導電性金属／セラミック複合材料に変化する。これらのコーティング配合物は、コーティングが犠牲的ならびに導電性になり、それによって基板にガルバニック特性（ｇａｌｖａｎｉｃ  ｐｒｏｐｅｒｔｙ）を付与するよう設計および処理される。場合によっては、コーティングの基板が鉄系金属である場合、コーティング内のアルミニウム粉末が、塩水噴霧または他の腐食雰囲気で生じる電気化学反応により、一般的に自身を犠牲にして、鉄系金属基板の腐食をほとんどまたは全くなくする。コーティングを導電性にするように処理することによって、防食増加をもたらすコーティングの犠牲特性が大幅に向上することがさらに確立されている。通常、アルミニウム充填コーティングは、コーティング表面の冷間加工（バニシング）または熱処理によって、犠牲的で、ガルバニック活性（ｇａｌｖａｎｉｃａｌｌｙ  ａｃｔｉｖｅ）にされる。目標は、犠牲的である、すなわち、腐食して隣接する基金属領域を腐食から保護する導電性アルミニウムコーティングを製造することである。したがって、これらの組成物中のアルミニウム積載量は、コーティングが導電性であるように十分高く維持される。さらに、コーティングは、コーティング中のアルミニウム含有量が使用中に減少し、それによってコーティングが犠牲になるよう設計される。
【０００７】
しかしながら、拡散系アルミナイドコーティングまたは犠牲ガルバニックコーティングは、遮熱コーティングとして機能しながら、所望の特性を提供するのに有効となり得ない。例えば、犠牲ガルバニックコーティングは、コーティング中のアルミニウム積載量が高いために高い熱伝導率値を有し、したがって、遮熱コーティングの熱伝導率要件を満たさない場合がある。さらに、拡散系アルミナイドコーティングまたは犠牲ガルバニックコーティングは、基板との望ましい熱膨張係数の整合を有さない場合があり、コーティングの潜在的破砕および破損をもたらし得る。
【０００８】
したがって、遮熱コーティングとして機能することができる改善されたコーティング組成物が必要である。さらに、遮熱コーティングを形成する改善された方法が必要である。
【発明の概要】
【０００９】
本開示の一実施形態は、基板と、基板上に配置された遮熱コーティングとを含む物品に関する。遮熱コーティングは、バインダーに分散された複数のアルミニウム系粒子を含み、アルミニウム系粒子は、遮熱コーティングが実質的に電気的および熱的に絶縁されるように、バインダーを介して互いに実質的に離間している。
【００１０】
本開示の別の実施形態は、自動車部品を含む物品に関する。自動車部品は、基板と、基板上に配置された遮熱コーティングとを含む。遮熱コーティングは、バインダーに分散された複数のアルミニウム系粒子を含み、複数のアルミニウム系粒子はコア−シェル構造を含み、コア−シェル構造のコアはアルミニウム金属を含み、コア−シェル構造のシェルはバインダーとアルミニウムおよびアルミナの一方または両方の複合体を含む。
【００１１】
本開示の別の実施形態は、基板上に遮熱コーティングを形成する方法に関する。本方法は、複数のアルミニウム系粒子および無機バインダーを含むスラリーを基板の表面と接触させて、スラリーコーティングを形成するステップを含む。本方法は、スラリーコーティングを硬化して、遮熱コーティングを形成するのに十分な条件下でスラリーコーティングを熱処理するステップをさらに含み、アルミニウム系粒子は、遮熱コーティングが実質的に電気的および熱的に絶縁されるように、遮熱コーティング中のバインダーを介して互いに実質的に離間している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めばよりよく理解されるであろう。図面を通して、同様の文字は同様の部品を表す。
【００１３】
【図１】本開示の一実施形態による物品の概略図である。
【図２】本開示の一実施形態による物品の概略図である。
【図３】本開示の一実施形態による物品の概略図である。
【図５】本開示の一実施形態による物品の概略図である。
【図６】本開示の一実施形態による、遮熱コーティングを形成する方法のフローチャートを示す図である。
【図７】本開示の一実施形態による、遮熱コーティングを形成する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書および特許請求の範囲を通して本明細書で使用される近似用語は、関連する基本的な機能の変化をもたらすことなく許容される程度に変化する可能性のある定量的表現を修飾するために適用され得る。したがって、「約」および「実質的に」などの１つまたは複数の用語によって修飾される値は、指定された正確な値に限定されない。場合によっては、近似用語は、値を測定するための機器の精度に対応し得る。ここで、本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定を組み合わせるおよび／または交換してもよく、このような範囲は特定され、文脈または用語による別段の指示がない限り、そこに含まれる全ての部分範囲を含む。
【００１５】
以下の明細書および特許請求の範囲において、単数形「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」および「該（ｔｈｅ）」は、文脈上明白に他の意味に解釈すべき場合を除いて、複数の指示対象を含む。本明細書で使用される場合、「または（ｏｒ）」という用語は、排他的であることを意味するものではなく、存在する参照構成要素の少なくとも１つを指し、文脈上明白に他の意味に解釈すべき場合を除いて、参照構成要素の組み合わせが存在してもよい例を含む。
【００１６】
本明細書で使用される場合、「〜してもよい（ｍａｙ）」および「〜であってもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」という用語は、一連の状況内での発生の可能性；指定された特性、特徴または機能の所有を示す；ならびに／あるいは修飾された動詞に関連する能力、性能または可能性の１つまたは複数を表現することによって別の動詞を修飾する。したがって、「〜してもよい（ｍａｙ）」および「〜であってもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」の使用は、修飾された用語が性能、機能または使用に明らかに適当、可能または適切であることを示すが、状況によっては、修飾された用語がしばしば適当でも、可能でも、適切でもない場合があることを示す。
【００１７】
本明細書で使用される場合、「コーティング（ｃｏａｔｉｎｇ）」という用語は、下にある表面の少なくとも一部に連続的または不連続的に配置された材料を指す。さらに、「コーティング（ｃｏａｔｉｎｇ）」という用語は、必ずしも配置された材料の均一な厚さを意味するものではなく、配置された材料は均一な厚さを有しても可変の厚さを有してもよい。「コーティング（ｃｏａｔｉｎｇ）」という用語は、コーティング材料の単層を指してもよく、またはコーティング材料の複数の層を指してもよい。コーティング材料は、複数の層で同じであっても異なっていてもよい。
【００１８】
本明細書で使用される場合、「〜上に配置された（ｄｉｓｐｏｓｅｄ  ｏｎ）」という用語は、特に明記しない限り、互いに直接接触して、または間に介在層を有することによって間接的に配置された層またはコーティングを指す。「〜上に配置する（ｄｉｓｐｏｓｉｎｇ  ｏｎ）」という用語は、材料を、連続的または非連続的に下にあるまたは隣接する表面と接触して置く方法を指す。本明細書で使用される「隣接する（ａｄｊａｃｅｎｔ）」という用語は、２つの材料またはコーティングが近接して配置され、互いに直接接触していることを意味する。
【００１９】
本明細書で使用される場合、「セラミック（ｃｅｒａｍｉｃ）」という用語は、金属の酸化物、炭化物、窒化物等を指す。本明細書で使用される場合、「実質的に含まない（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  ｆｒｅｅ）」という用語は、特に指定しない限り、示される化合物、材料、成分等が最小限存在するか、または全く存在しない、例えば約０．５重量パーセント（重量％）以下のレベル、より典型的には約０．１パーセント（重量％）以下のレベルであることを意味する。
【００２０】
いくつかの実施形態では、物品が提供される。物品は、基板と、基板上に配置された遮熱コーティングとを含む。遮熱コーティングは、無機バインダーに分散された複数のアルミニウム系粒子を含む。アルミニウム系粒子は、遮熱コーティングが実質的に電気的および熱的に絶縁されるように、バインダーを介して互いに実質的に離間している。
【００２１】
図１は、本開示の一実施形態による物品１００を示している。物品１００は、基板１１０と、基板上に配置された遮熱コーティング１２０とを含む。本明細書で使用される場合、「遮熱コーティング（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ）」という用語は、物品の下にある基板への熱流を減らすことができる、すなわち遮熱を形成する材料を含むコーティングを指す。「遮熱コーティング（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ）」および「コーティング（ｃｏａｔｉｎｇ）」という用語は、本明細書では互換的に使用される。
【００２２】
遮熱コーティングは、その厚さによってさらに特徴付けられ得る。遮熱コーティングの厚さは、基板またはそれが堆積される部品に依存し得る。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングが、約５０ミクロン〜約３０００ミクロンの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングが、約２５ミクロン〜約１５００ミクロンの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングが、約２５ミクロン〜約１０００ミクロンの範囲の厚さを有する。遮熱コーティングは、基板の一部または全体にわたって配置され得る。基板は、遮熱コーティングが施される部品の性質に依存し得る。いくつかの実施形態では、基板が、金属、金属合金またはこれらの組み合わせを含む。一定の実施形態では、基板が、鉄、鉄合金、アルミニウム、アルミニウム合金またはこれらの組み合わせを含む。
【００２３】
本明細書で使用される場合、「アルミニウム系粒子（ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｂａｓｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）」という用語は、アルミニウム金属、アルミナ、アルミニウム合金またはこれらの組み合わせを含む粒子を指す。アルミナは、典型的には、式Ａｌ２Ｏ３を有し、本開示の文脈では、非水和形態および水和形態を含む。本明細書で使用される場合、「粒子（ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）」という用語は、粒子、粉末、フレーク、プレート、ロッド、繊維、ワイヤー、メッシュまたはこれらの組み合わせを指す。粒子は、例えば、粉砕、細断、断片化、微粉化、霧化（例えば、ガス霧化）、または材料のより大きな形態を比較的小さな形態に細分することによって形成され得る。アルミニウム系粒子は、種々の標準サイズで使用することができる。アルミニウム系粒子のサイズは、基板の種類；コーティングを基板に施す技術；コーティング中に存在する他の成分の正体；およびそれらの成分の相対量などのいくつかの因子に依存し得る。通常、アルミニウム系粒子は、約０．５ミクロン〜約１００ミクロンの範囲の平均粒径を有する。いくつかの実施形態では、アルミニウム系粒子が、約０．５ミクロン〜約８０ミクロン、約１ミクロン〜約５０ミクロン、約１ミクロン〜約３０ミクロンの範囲、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組み合わせ、範囲もしくは部分範囲の平均粒径を有する。
【００２４】
いくつかの実施形態では、複数のアルミニウム系粒子がアルミナイドを実質的に含まない。本明細書で使用される「アルミナイド（ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）」または「アルミナイド含有（ａｌｕｍｉｎｉｄｅ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」という用語は、金属合金（特に、超合金）のコーティングに典型的に使用される、またはコーティング工程中もしくはコーティング工程後に形成される（例えば、拡散工程により）種々のアルミニウム含有材料を含むことを意図している。非限定的な例としては、白金アルミナイド、ニッケルアルミナイド、白金ニッケルアルミナイド、耐火物ドープアルミナイドまたはこれらの化合物の１つもしくは複数を含有する合金が挙げられる。一定の実施形態では、複数のアルミニウム粒子が、０．５重量％未満のアルミナイドを含む。
【００２５】
一定の実施形態では、基板の表面領域が、アルミナイドを実質的に含まない。一定の実施形態では、基板の表面領域が、アルミニウム系粒子から基板へのアルミニウムの拡散によって形成されたアルミナイドを実質的に含まない。本明細書で使用される場合、「表面領域（ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｅｇｉｏｎ）」は、通常、表面まで最大約２００ミクロンの深さまで、より頻繁には表面まで最大約７５ミクロンの深さまで広がる。これは、前記のアルミニウム系拡散コーティングと対照的である。典型的には拡散コーティングでは、コーティングが８７０°Ｃ超の熱処理温度にさらされ、それによってアルミニウムが基板の表面領域に拡散し、金属アルミナイドが形成される。本開示の遮熱コーティングは、アルミニウムの基板への拡散温度よりも低い温度で硬化するため、アルミナイドを実質的に含まない。
【００２６】
本明細書で使用される場合、「無機バインダー（ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  ｂｉｎｄｅｒ）」という用語は、硬化すると、アルミニウム系粒子が埋め込まれている、カプセル化されている、封入されている、または付着している非晶形ガラス状マトリックスを形成する組成物を指す。いくつかの実施形態では、無機バインダーが、クロメート、ホスフェート、モリブデート、バナデート、タングステートまたはこれらの組み合わせを含む。
【００２７】
無機バインダーがクロメートを含む実施形態では、クロメートが溶液中に六価クロムとして存在する。この形態のクロムをクロメートとして記載しているが、酸性条件下では、イオンが典型的にはジクロメートとして存在し得ることを理解されたい。「クロメート」という用語が、便宜上本明細書で使用される。溶液中のクロメートは、クロム酸、金属クロメートまたはジクロメートによって供給され得る。クロメート含有無機バインダー組成物は、アルミニウムクロメート、マグネシウムクロメート、亜鉛クロメート、鉄クロメート、リチウムクロメート、カルシウムクロメートまたはこれらの組み合わせを含む１つまたは複数の金属クロメートを含むことができる。
【００２８】
無機バインダーがホスフェートを含む実施形態では、ホスフェートが溶液中のリン酸イオンとして存在する。リン酸イオンは、リン酸溶液ならびに一塩基、二塩基および三塩基塩を含む金属のリン酸塩などの他の材料を含む種々の供給源から供給することができる。ホスフェート含有バインダー組成物は、リン酸アルミニウム、リン酸マグネシウム、リン酸クロム、リン酸亜鉛、リン酸鉄、リン酸リチウム、リン酸カルシウムまたはこれらの組み合わせを含む１つまたは複数の金属ホスフェートを含むことができる。これらの塩をリン酸と併用して酸性ホスフェート溶液を生成することができる。五酸化リン、メタ亜リン酸、亜リン酸および次亜リン酸などの溶液中でホスフェートを生成する他の無水物または化合物を使用することができる。亜リン酸および次亜リン酸は、溶液中の六価クロムなどの酸化剤との反応によって、これらのバインダー中でリン酸イオンを生成する。
【００２９】
無機バインダーがモリブデートを含む実施形態では、モリブデートが溶液中のモリブデン酸イオンとして存在する。モリブデン酸イオンは、三酸化モリブデンまたは金属モリブデートから供給することができる。
【００３０】
一定の実施形態では、無機バインダーが、クロメートと、ホスフェート、モリブデート、バナデートおよびタングステートのうちの１つまたは複数とを含む。いくつかのこのような実施形態では、クロメートと別のバインダー（例えば、ホスフェート）の比が、重量で約１：４〜約４：１の範囲で変化し得る。一定の実施形態では、無機バインダーが、クロメート−ホスフェートバインダーを含む。
【００３１】
六価クロムの毒性および潜在的発がん性のために、健康および安全上の規制を満たすために、典型的には特別な取り扱い手順を使用する必要があり得る。特別な取り扱い手順により、しばしばコストが増加し、生産性が低下するおそれがある。したがって、一定の他の実施形態では、無機バインダーが六価クロムを実質的に含まない。いくつかのこのような実施形態では、無機バインダーがコロイドシリカを含む。本明細書で使用される「コロイドシリカ（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ｓｉｌｉｃａ）」という用語は、シリカの粒子を指す。コロイドシリカの分散液は、酸性形態または塩基性形態で、種々の化学メーカーから入手可能である。さらに、種々の形状のシリカ粒子、例えば、球状、中空、多孔質、ロッド、プレート、フレークまたは繊維状、ならびに非晶質シリカ粉末を使用してもよい。
【００３２】
当業者によって理解されるように、アルミニウム系粒子およびバインダー組成物（例えば、クロメート、ホスフェートまたはコロイドシリカなど）は、配置および処理後ステップのうちの１つまたは複数の間にさらに互いに相互作用または反応し得る。したがって、本明細書で使用される「アルミニウム系粒子（ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｂａｓｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）」および「無機バインダー（ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  ｂｉｎｄｅｒ）」という用語は、粒子およびバインダーの未反応形態ならびに反応形態の両方を含む。
【００３３】
アルミニウムおよび無機バインダーの量に関する遮熱コーティングの組成は、隣接するボンドコート層（存在する場合）の組成、遮熱コーディングに望ましい熱膨張係数（ＣＴＥ）特性、および遮熱コーティングに望ましい遮熱特性を含む１つまたは複数の因子に依存し得る。一定の実施形態では、遮熱コーティングが実質的に熱的および電気的に絶縁されるように、遮熱コーティング中のアルミニウム系粒子の量（当技術分野ではしばしば「アルミニウム積載量」と呼ばれる）を維持することができる。これは、本明細書で前述のように、金属基板に使用される犠牲耐食性コーティングと対照的である。これらの前述の犠牲耐食性コーティングも、無機バインダー中にアルミニウム系粒子を含んでいてもよいが、これらのコーティングのアルミニウム積載量は、これらの耐食性コーティングが実質的に導電性であるように維持される。
【００３４】
本明細書で使用される場合、「実質的に電気的に絶縁される（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）」という用語は、遮熱コーティングが１オームメートル（Ω．ｍ）超の電気抵抗率を有することを意味する。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングの電気抵抗率が１０２Ω．ｍ超である。本明細書で使用される場合、「実質的に熱的に絶縁される（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）」という用語は、遮熱コーティングが２．２Ｗ／ｍ−Ｋより低い熱伝導率を有することを意味する。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングの熱伝導率が１．５Ｗ／ｍ−Ｋより低い。
【００３５】
いくつかの実施形態では、複数のアルミニウム系粒子が、遮熱コーティング中に約２０体積パーセント〜約７０体積パーセントの範囲、約３０体積パーセント〜約６０体積パーセントの範囲、約５０体積パーセント〜約６０体積パーセントの範囲、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組合せ、範囲もしくは部分範囲の量で存在し；バインダーが、遮熱コーティング中に約３０体積パーセント〜約８０体積パーセントの範囲、約４０体積パーセント〜約７０体積パーセントの範囲、約４０体積パーセント〜約５０体積パーセントの範囲、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組み合わせ、範囲もしくは部分範囲の量で存在する。一定の実施形態では、複数のアルミニウム系粒子が、遮熱コーティング中に約４０体積パーセント〜約５０体積パーセントの範囲の量で存在し、バインダーが、遮熱コーティング中に約５０体積パーセント〜約６０体積パーセントの範囲の量で存在する。前述のように、遮熱コーティング中のアルミニウムの積載量は、遮熱コーティングが実質的に電気的に絶縁されるように制御される。
【００３６】
遮熱コーティングは、アルミニウム系粒子および無機バインダーの平均ドメインサイズによってさらに特徴付けられる。これは図２にさらに示されており、遮熱コーティング１２０の拡大部分が示されている。遮熱コーティングは、無機バインダー１４０に分散された複数のアルミニウム系粒子１３０を含む。複数のアルミニウム系粒子１３０は、ドメインサイズ１３によってさらに特徴付けられ、無機バインダーは、ドメインサイズ１４によって特徴付けられる。
【００３７】
遮熱コーティング中のアルミニウム系粒子の平均ドメインサイズは、少なくとも０．５ミクロン、少なくとも１ミクロン、少なくとも２ミクロン、約０．５ミクロン〜約３０ミクロンの範囲、約１ミクロン〜約１０ミクロンの範囲、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組み合わせ、範囲もしくは部分範囲であり得る。同様に、遮熱コーティング中のバインダーの平均ドメインサイズは、少なくとも０．５ミクロン、少なくとも１ミクロン、少なくとも２ミクロン、約０．５ミクロン〜約５ミクロンの範囲、約１ミクロン〜約５ミクロンの範囲、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組み合わせ、範囲もしくは部分範囲であり得る。
【００３８】
一定の実施形態では、無機マトリックス中に分散されたアルミニウム系粒子が、コア−シェル構造によってさらに特徴付けられ得る。図３は、例えば、コア−シェル構造を有する複数のアルミニウム系粒子１３０を含む１２０を含む遮熱コーティングの概略図を示している。図３に示される実施形態では、粒子１３０がコア１３２およびシェル１３４を含む。例示の目的で、図１および図３のアルミニウム系粒子は球形を有するものとして描かれているが、アルミニウム系粒子の他の形状も本開示の範囲内に包含されることに留意されたい。例えば、アルミニウム系粒子は、円錐形、管状、正方形、長方形または他の不規則な形状を有していてもよい。
【００３９】
一定の実施形態では、コア−シェル構造のコア１３２がアルミニウム金属を含み、コア−シェル構造のシェル１３４がバインダーとアルミニウムおよびアルミナの一方または両方の複合体を含む。本明細書で使用される複合体という用語は、バインダーとアルミニウム／アルミナの共有結合的に結合した化合物と非共有結合的に結合した化合物の両方を含む。バインダーがクロメート−ホスフェートバインダーを含む一定の実施形態では、コア−シェル構造のコア１３２がアルミニウム金属を含み、コア−シェル構造のシェル１３４がアルミニウムクロメートホスフェートおよびアルミナクロメートホスフェートの少なくとも１つを含む。いくつかのこのような実施形態では、図４に示されるように、コア−シェル構造のシェル１３４が、コア１３２に近接して配置された第１の層１３５と、第１の層１３５上に配置された第２の層１３６とをさらに含み得んでもよい。いくつかのこのような例では、第１の層１３５がアルミニウムクロメートホスフェートを含み、第２の層１３６がアルミナクロメートホスフェートを含む。
【００４０】
コア−シェル構造のコア１３２は、少なくとも０．５ミクロン、少なくとも１ミクロン、少なくとも２ミクロン、約０．５ミクロン〜約３０ミクロンの範囲、約１ミクロン〜約１０ミクロンの範囲、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組み合わせ、範囲もしくは部分範囲の平均サイズを有し得る。本文脈で使用される「サイズ（ｓｉｚｅ）」という用語は、コア−シェル構造のコア１３２の最大寸法を指し、当業者に明らかなように、コア−シェル構造の形状に依存する。同様に、コア−シェル構造のシェル１３４の厚さは、少なくとも０．５ミクロン、少なくとも１ミクロン、少なくとも２ミクロン、約０．５ミクロン〜約５ミクロンの範囲、約１ミクロン〜約５ミクロンの範囲、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組み合わせ、範囲もしくは部分範囲であり得る。さらに、シェル１３４の厚さは、図４では実質的に均一であるように示されているが、厚さは不均一であってもよく、コア１３２の周辺で変化してもよい。
【００４１】
いくつかの実施形態では、物品が、基板と遮熱コーティングとの間に配置されたボンドコーティングをさらに含んでもよい。図５は、物品１００がボンドコーティング１５０を含む実施形態を示している。図５に示される実施形態では、物品１００が、ボンドコーティング１５０、遮熱コーティング１２０、および保護コーティング（トップコートとも呼ばれる）１６０を含む。ボンドコーティング１５０は、下にある基板を保護し、遮熱コーティングが基板により頑強に接着することを可能にする金属耐酸化性材料から形成され得る。ボンドコーティング１５０は、約２５ミクロン〜約５００ミクロンの範囲の厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、保護コーティング１６０が、ＣＭＡＳ反応性保護コーティング、環境バリアコーティングまたは耐侵食性層を含み得る。
【００４２】
本開示のコーティングは、高温で動作する、または高温にさらされる多種多様な部品で有用であり得る。一定の実施形態では、物品が、自動車部品、機関車部品、海洋部品または医療部品を含む。いくつかのこのような実施形態では、物品がディーゼルエンジン部品を含む。一定の実施形態では、本開示の実施形態による遮熱コーティングを含む自動車部品も提供される。自動車部品の非限定的な例としては、ピストン、バルブ、シリンダーヘッド、排気管、ターボハウジング、触媒容器、排気マニホールドまたはこれらの組み合わせが挙げられる。一定の実施形態では、本開示の遮熱コーティングが、自動車エンジンのピストンに熱保護を提供するのに特に有用である。いくつかのこのような実施形態では、基板が、アルミニウム、鉄またはこれらの組み合わせを含む。
【００４３】
いくつかの実施形態では、基板上に遮熱コーティングを形成する方法も提供される。遮熱コーティングは、種々の従来技術のいずれかによって、ボンドコーティング（存在する場合）上または基板上に直接配置または形成され得る。遮熱コーティングを配置、堆積または形成するために使用される特定の技術は、遮熱コーティングの組成、厚さ、および遮熱コーティングに望ましい物理的構造のうちの１つまたは複数に依存し得る。一定の実施形態では、遮熱コーティングが、スラリーを使用して、ボンドコーティング（存在する場合）上または基板上に直接配置される。
【００４４】
ここで図６および図７を参照すると、基板１１０上に遮熱コーティング１２０を形成する方法１０００が示されている。本方法は、ステップ１００１で、複数のアルミニウム系粒子および無機バインダーを含むスラリーを基板１１０の表面１０１と接触させて、スラリーコーティング１２１を形成することを含む。複数のアルミニウム系粒子および無機バインダーの適切な例は、本明細書で前に記載されている。
【００４５】
遮熱コーティングの配置にスラリーを使用すると、多くの利点が得られる。例えば、スラリーは簡単かつ経済的に調製することができ、特定の基板の要件を満たすようにそのアルミニウム含有量を容易に調整することができる。さらに、スラリーはいくつかの異なる技術によって基板に塗布することができ、その濡れ性は比較的均一な厚さを確保するのに役立つ。スラリーは、典型的には液体担体成分に懸濁または含有された複数のアルミニウム系粒子および有機バインダーを含む。本明細書で使用される場合、「液体担体成分（ｌｉｑｕｉｄ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」という用語は、周囲温度で液体であり、アルミニウム系粒子および有機バインダーが典型的に保有され、分散され、溶解される等のあらゆる担体成分を指す。液体担体成分は、水系（例えば、水を含む）、有機系（例えば、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等などのアルコール、その他の液体有機材料またはエチレングリコール、アセトン、トルエン、キシレン、アルカン等などの溶媒を含む）またはこれらのいずれかの組み合わせを含む。これらの液体担体成分は、界面活性剤、緩衝剤等などの他の任意の材料を含むことができる。水性担体成分は、水から本質的になることができる、すなわち、他の任意の材料を実質的に含まないが、より一般的には、適合性有機溶媒、界面活性剤等などの他の任意の材料を含む。水性担体成分に使用するのに適した界面活性剤には、非イオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤、双性イオン性界面活性剤またはこれらの任意の組み合わせが含まれ得る。
【００４６】
スラリーには、スラリーの望ましいレオロジー特性、コーティング厚さ、または遮熱コーティング中のアルミニウム系粒子の望ましい積載量に応じて、さまざまな割合のアルミニウム系粒子と無機バインダーを積載することができる。いくつかの実施形態では、スラリー中の液体担体溶媒の量が、約１０体積パーセント〜約５０体積パーセントの範囲、約２０体積パーセント〜約４０体積パーセントの範囲、約２５体積パーセント〜約３０体積パーセントの範囲、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組み合わせ、範囲もしくは部分範囲の量である。いくつかの実施形態では、スラリー中のアルミニウム系粒子と無機バインダーの体積比が、約０．５〜約１．２の範囲、約０．５〜約１の範囲、約０．６７〜約１の範囲、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組み合わせ、範囲もしくは部分範囲の量である。スラリーは、着色剤または顔料、粘度調整剤または制御剤等などの他の任意の成分をさらに含んでもよい。
【００４７】
再び図６および図７を参照すると、本開示の実施形態による方法１０００は、スラリーを基板１１０の表面１０１の少なくとも一部と接触させるステップ１００１を含む。いくつかの実施形態は、スラリーを基板１１０の表面１０１の実質的に全てと接触させるステップ１００１を含む。スラリーは、当技術分野で知られている種々の技術によって基板と接触させることができる。いくつかの実施形態では、スラリーを、例えば、基板表面上にスリップキャスト、刷毛塗り、浸漬、噴霧、注入、圧延またはスピンコーティングすることができる。一定の実施形態では、スラリーを基板の表面にスプレーコーティングする。コーティングの粘度は、使用する液体担体の量を変えることによって、噴霧のために容易に調整することができる。
【００４８】
スラリーは、単層または多層として塗布することができる。したがって、いくつかの実施形態では、ステップ１００１が、スラリーコーティング１２１の所望の厚さが達成されるまで複数回行われ得る。いくつかの実施形態では、スラリーコーティング１２１が、約５０ミクロン〜約３０００ミクロンの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、スラリーコーティングが、約２５ミクロン〜約１５００ミクロンの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、スラリーコーティングが、約２５ミクロン〜約１０００ミクロンの範囲の厚さを有する。
【００４９】
再び図６および図７を参照すると、本方法は、ステップ１００２で、スラリーコーティング１２１を硬化して、遮熱コーティング１２０を形成するのに十分な条件下でスラリーコーティング１２１を熱処理することをさらに含む。前述のように、形成された遮熱コーティング１２０コーティングは、遮熱コーティングが実質的に電気的および熱的に絶縁されるように、遮熱コーティング中のバインダーを介して互いに実質的に離間したアルミニウム系粒子を含む。
【００５０】
いくつかの実施形態では、基板表面へのスラリーの最初の塗布後、スラリーコーティングを乾燥させて、揮発性物質を実質的に除去することができる。全厚のスラリーコーティングを施した後、追加の任意の熱処理（乾燥ステップ）を実行して、追加の溶媒（使用する場合）および水などの揮発性物質をさらに除去することができる。乾燥のための熱処理条件は、一部はスラリー中の揮発性成分の正体に依存する。いくつかの実施形態では、この乾燥ステップが、例えば、ある期間（例えば、１５分超）およびある温度（例えば、約７０℃〜約１００℃）での空気乾燥を含み得る。一連の層を使用する場合、各層を堆積した後に乾燥ステップを実施して、揮発性成分の除去を促進することができる。
【００５１】
乾燥後、図６および図７に示されるように、ステップ１００２で、適切な熱処理条件を使用してスラリーコーティング１２１を硬化して、遮熱コーティングを形成することができる。本明細書で使用される場合、「硬化する（ｃｕｒｉｎｇ）」という用語は、スラリーコーティングに遮熱コーティングを形成させるいずれかの処理条件または処理条件の組み合わせを指す。前述のように、一定の実施形態では、アルミニウム系粒子から基板の表面領域にアルミニウムを拡散させるのに十分な温度よりも低い温度でスラリーコーティングを熱処理する。いくつかの実施形態では、３００℃より低い温度、２５０℃より低い温度、約１５０℃〜約２５０℃の範囲の温度、約１７０℃〜約２００℃の範囲の温度、またはこれらのいずれかの組み合わせ、部分組み合わせ、範囲もしくは部分範囲でスラリーコーティングを熱処理する。
【００５２】
２つ以上の接触ステップ１００１を使用する場合、各接触ステップ１００１の後に乾燥および／または硬化を行ってもよい。いくつかの実施形態では、本方法が、硬化スラリーコーティングをバニシングステップに供して、遮熱コーティングを形成することをさらに含み得る。
【００５３】
遮熱コーティングは、オフサイトまたはオンサイト、使用中の部品、新しい部品またはこれらの組み合わせで形成され得る。本明細書で使用される場合、使用中の部品とは、動作のために以前に製造されたおよび／または配置された部品を指す。必要に応じてまたは所望であれば（例えば、修理方法など）、物品（例えば、ディーゼルエンジン部品）をスラリーの塗布前に機械的に加工して、例えば損傷を除去する、またはエンジン部品の表面を滑らかにしてもよい。
【００５４】
いかなる理論によっても拘束されないが、本開示の遮熱コーティングは、セラミック遮熱コーティングの代替として、費用効果の高い方法で必要な遮熱特性を提供することができると考えられる。特に、本開示の発明者らは、無機バインダー中にアルミニウム系粒子を含む遮熱コーティングが、費用効果の高い方法でピストンなどの自動車部品に望ましい遮熱コーティング特性を提供することを発見した。
実施例
【００５５】
内燃機関エンジンを、アルミニウム粒子およびクロメート−ホスフェートバインダーを含むスラリー組成物でコーティングした。ピストンの一部を連続的な表面処理、スプレーコーティングおよびバニシングステップに供して、約１５０±１５ミクロンの厚さを有する遮熱コーティングを形成した。コーティングの機械的特性（例えば、硬度）、熱伝導率、熱膨張係数の整合、耐久性（例えば、破砕）および微細構造を評価した。遮熱コーティングは、望ましい熱伝導率および基板との熱膨張係数の整合を示した。さらに、標準的なエンジン試験手順後の遮熱コーティングは、破砕が全くないか最小限であり、優れた硬度値を示した。微細構造の光学顕微鏡写真（図８に示される）は、バインダー１４０マトリックスに分散した明確な複数のアルミニウム粒子ドメイン（アルミニウム系粒子１３０）を示した。
【００５６】
前記の実施例は単なる例示であり、本発明の特徴の一部のみを例示する役割を果たす。添付の特許請求の範囲は、考えられる限り広く本発明を請求することを意図しており、本明細書に提供される例は、多数の全ての可能な実施形態から選択された実施形態を示す。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の特徴を例示するために利用される例の選択によって限定されるべきではないというのが出願人の意図である。特許請求の範囲で使用されるように、「〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」という単語およびその文法上の変形はまた、論理的に、例えばそれだけに限らないが「〜から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」および「〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」などの種々の異なる程度の句を定めこれらを含む。必要に応じて、範囲が提供されており、これらの範囲には、その間の全ての部分範囲を含む。これらの範囲の変動が当業者に示唆され、まだ公にされていない場合、これらの変動は可能であれば添付の特許請求の範囲によって網羅されると解釈されるべきであることが予想されるべきである。科学および技術の進歩により、言語の不正確さの理由により現在考えられていない同等物および代替物が可能になり、これらの変動も可能な場合には添付の特許請求の範囲によって網羅されると解釈されるべきであることも想定している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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