CN110831706A - 用于高温作业的制品及相关方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于高温作业的制品。该制品包括基底和设置在该基底上的热障涂层。热障涂层包括分散在无机粘合剂中的多个铝基颗粒，其中铝基颗粒通过无机粘合剂基本上彼此间隔开，使得热障涂层基本上是电绝缘和热绝缘的。还提出了制作该制品的方法。

Description

用于高温作业的制品及相关方法
背景技术
本公开一般地涉及用于高温作业(高温服役，高温设备，high temperatureservice)的制品中使用的涂层。更具体地，本公开涉及包括热障涂层(thermal barriercoatings)的制品。
热障涂层通常用于在高温下操作或暴露在高温的制品，例如燃气涡轮发动机(燃气轮机，gas turbine engines)。还发现在汽车工业中使用热障涂层对发动机的效率产生重大影响。热障涂层通常允许更高的操作温度，从而实现更高的燃料效率。
热障涂层材料的选择受到诸如以下要求的限制：高熔点、室温和操作温度之间无/最小相转变、低热导率、化学惰性、与下层基底(基板，衬底，substrate)的热膨胀匹配以及对下层基底的良好粘附性。通常，陶瓷(例如，氧化钇稳定的氧化锆、锆酸盐、烧绿石等)已成功地用作热障涂层材料。然而，对于诸如汽车应用的应用，由于金属基底与陶瓷材料之间的不良化学相容性，陶瓷材料可能不具有成本效益，并且可能遭受与下层金属基底(例如，铝基(基于铝的，铝类，aluminum-based)基底)的粘附性较差的缺点。
铝基和氧化铝基涂层在本领域中都是已知的，并且例如用作超合金(超耐热合金，superalloy)基底的扩散涂层或用作钢基底的牺牲性耐电化腐蚀涂层。
通常，用于高温涡轮发动机应用的钴基或镍基超合金包含铝，铝是该材料沉淀强化的关键组分。然而，长时间暴露在氧化温度下可能会导致表面处的铝消耗。由于铝的损失会损害超合金的完整性，因此已经研究了抵抗这种损失的技术。用于增加超合金基底的铝含量(即，在其表面区域中)的一种方法在本领域中有时被称为“铝化(镀铝，aluminiding)”或“渗铝(aluminizing)”。在这样的过程中，通过在基底上施加铝基或氧化铝基涂层(例如，作为包括粘合剂的浆料)并且在大于870℃的温度下对该涂层进行扩散热处理来将铝引入基底中。升高的温度使铝熔化并扩散到下层基底中，形成各种金属间化合物(intermetallics)，例如金属铝化物化合物。例如，在镍基超合金基底的情况下，铝扩散并与镍结合形成各种镍-铝化物合金。因此，基于金属铝化物的扩散涂层需要使用相当高的温度(大于870℃)的热处理。在这种高温下，用于涂层沉积的粘合剂组分通常会挥发，并且在热处理之后的最终涂层基本上由金属铝化物组成。
已经开发出用于高强度钢的耐腐蚀涂层，以防止/最小化应力腐蚀开裂。一种常见的可商购的涂层采用水基浆料，该浆料包含在酸性溶液中的铝基分散体，该酸性溶液包含阴离子如磷酸根和铬酸根。在暴露于加热和固化后，这些浆料转变为不溶的导电金属/陶瓷复合材料。对这些涂层配方进行设计和加工，以使涂层既具有牺牲性又具有导电性，从而使基底具有电化性能。在某些情况下，当涂层的基底是黑色金属(含铁金属，ferrous metal)时，涂层中的铝粉通常会通过在盐雾或其他腐蚀性气氛中发生的电化学反应的方式牺牲自己，最终使得几乎没有或根本没有黑色金属基底的腐蚀。还已经确定，通过如此处理涂层以使其导电，可以大大提高涂层在提供增强的腐蚀防护方面的牺牲性能。通常，通过冷加工(抛光)涂层表面或通过热处理，使铝填充涂层具有牺牲和电化活性。目的是生产一种牺牲性的导电铝涂层，即会腐蚀并保护相邻的基础金属区域免受腐蚀。因此，这些组合物中的铝负载保持足够高，使得涂层是导电的。此外，涂层被设计成使得涂层中的铝含量在使用过程中减少，从而使涂层牺牲。
然而，基于扩散的铝化物涂层或牺牲性电化涂层可能无法在充当热障涂层的同时有效地提供所需的特性。例如，牺牲性电化涂层由于铝在涂层中的较高负载而可能具有高的热导率值，因此可能不满足热障涂层的热导率要求。此外，基于扩散的铝化物涂层或牺牲性电化涂层可能不具有与基底匹配的期望的热膨胀系数，这可能导致涂层潜在的层裂和失效。
因此，需要可以用作热障涂层的改善的涂层组合物。此外，需要用于形成热障涂层的改善方法。
发明内容
本公开的一个实施方式涉及一种制品，该制品包括基底和设置在该基底上的热障涂层。热障涂层包括分散在粘合剂中的多个铝基颗粒(基于铝的颗粒，aluminum-basedparticles)，其中铝基颗粒通过粘合剂基本上彼此间隔开，使得热障涂层基本上是电绝缘和热绝缘的(隔热的，thermally insulating)。
本公开的另一个实施方式涉及一种包括汽车组件的制品。汽车组件包括基底和设置在基底上的热障涂层。热障涂层包括分散在粘合剂中的多个铝基颗粒，其中多个铝基颗粒包括核-壳结构，其中核-壳结构的核包括铝金属并且核-壳结构的壳包括粘合剂与铝和氧化铝中的一种或两种的复合物。
本公开的另一个实施方式涉及在基底上形成热障涂层的方法。该方法包括使包括多个铝基颗粒和无机粘合剂的浆料与基底的表面接触以形成浆料涂层。该方法还包括在足以固化浆料涂层并形成热障涂层的条件下热处理浆料涂层，其中铝基颗粒通过热障涂层中的粘合剂基本上彼此间隔开，使得热障涂层基本上是电绝缘和热绝缘的。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，其中，在整个附图中，相同的字符表示相同的部分，其中：
图1示出了根据本公开的实施方式的制品的示意图；
图2示出了根据本公开的实施方式的制品的示意图；
图3示出了根据本公开的实施方式的制品的示意图；
图5示出了根据本公开的实施方式的制品的示意图；
图6示出了根据本公开的实施方式的形成热障涂层的方法的流程图；和
图7示出了根据本公开的实施方式的形成热障涂层的方法。
具体实施方式
如在整个说明书和权利要求书中在本文所用，近似语言可以被用来修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致它所涉及的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(例如“约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此以及整个说明书和权利要求书中，可以组合和/或互换范围限制，除非上下文或语言另有指示，否则这种范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。
在以下说明书和权利要求中，单数形式“一(a)”、“一种(an)”和“该(the)”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。如本文所用，术语“或”并不意味着是排他的，并且是指存在所引用的组件中的至少一个，并且包括其中可以存在所引用的组件的组合的实例，除非上下文另外明确指出。
如本文所用，术语“可能”和“可能是”表示在一组情况下发生的可能性；具有指定的性质、特征或功能；和/或通过表达与限定动词相关的能力、性能或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，“可能”和“可能是”的使用表示修饰语显然适合、有能力或适合于指定的容量、功能或用法，同时考虑到在某些情况下，修饰语有时可能不适合、有能力或合适。
如本文所用，术语“涂层”是指以连续或不连续的方式设置在下层表面的至少一部分上的材料。此外，术语“涂层”并不一定意味着所设置的材料的均匀厚度，所设置的材料可以具有均匀或可变的厚度。术语“涂层”可以指涂层材料的单层或可以指涂层材料的多层。涂层材料在多个层中可以相同或不同。
如本文所用，除非另外具体指出，否则术语“设置在...上”是指直接彼此接触或通过在其间具有中间层而间接接触的层或涂层。术语“设置在...上”是指以连续或不连续的方式放置与下面或相邻表面接触的材料的方法。如本文所用，术语“相邻”是指两种材料或涂层被连续地设置并且彼此直接接触。
如本文所用，术语“陶瓷”是指金属的氧化物、碳化物、氮化物等。如本文所用，术语“基本上不含”是指所指定的化合物、材料、组分等以最小量存在或根本不存在，例如以约0.5重量百分比(wt％)或更少的水平存在，更通常以约0.1百分比(wt％)或更小的水平存在，除非另有说明。
在一些实施方式中，示出了一种制品。该制品包括基底和设置在该基底上的热障涂层。热障涂层包括分散在无机粘合剂中的多个铝基颗粒。铝基颗粒通过粘合剂基本上彼此间隔开，使得热障涂层基本上是电绝缘和热绝缘的。
图1示出了根据本公开的实施方式的制品100。制品100包括基底110和设置在基底上的热障涂层120。如本文所用，术语“热障涂层”是指包括能够减少流向制品的下层基底的热的材料的涂层，即形成热障。术语“热障涂层”和“涂层”在本文中可互换使用。
热障涂层的特征还可以在于其厚度。热障涂层的厚度可以取决于基底或其沉积在其上的组件。在一些实施方式中，热障涂层的厚度在约50微米至约3000微米的范围内。在一些实施方式中，热障涂层的厚度在约25微米至约1500微米的范围内。在一些实施方式中，热障涂层的厚度在约25微米至约1000微米的范围内。热障涂层可以设置在基底的一部分上或整个基底上。基底可以取决于在其上施加热障涂层的组件的性质。在一些实施方式中，基底包括金属、金属合金或它们的组合。在某些实施方式中，基底包括铁、铁合金、铝、铝合金或它们的组合。
如本文所用，术语“铝基颗粒”是指包括铝金属、氧化铝、铝合金或它们的组合的颗粒。氧化铝通常具有式Al2O3，并且在本公开的上下文中包括未水合和水合形式。如本文所用，术语“颗粒”是指颗粒、粉末、薄片、板、棒、纤维、线、网或它们的组合。可以通过例如研磨、切碎(shredding)、破碎(fragmenting)、粉碎(pulverizing)、雾化(atomization)(例如，气体雾化)或以其他方式将较大形式的材料细分为相对较小的形式来形成颗粒。铝基颗粒可以各种标准尺寸使用。铝基颗粒的尺寸可以取决于多种因素，例如基底的类型；以及将涂层施涂到基底上的技术；涂层中存在的其他组分的种类(身份，identity)；以及这些组分的相对含量。通常，铝基颗粒的平均粒度在约0.5微米至约100微米的范围内。在一些实施方式中，铝基颗粒的平均粒度在约0.5微米至约80微米，约1微米至约50微米，约1微米至约30微米的范围内，或其任何组合、子组合、范围或子范围。
在一些实施方式中，多个铝基颗粒基本上不含铝化物。如本文所用，术语“铝化物”或“含铝化物”是指包括通常在涂覆金属合金(特别是超合金)中使用的或在涂覆过程期间或之后形成的多种含铝材料(例如，通过扩散过程)。非限制性实例包括铝化铂、铝化镍、铝化铂-镍、耐火材料掺杂的铝化物(refractory-doped aluminides)或包含一种或多种那些化合物的合金。在某些实施方式中，多个铝颗粒包含小于0.5wt％的铝化物。
在某些实施方式中，基底的表面区域基本不含铝化物。在某些实施方式中，基底的表面区域基本上不含通过铝从铝基颗粒扩散到基底中形成的铝化物。如本文所用，“表面区域”通常延伸到表面中至多达约200微米的深度，并且更经常地延伸到表面中至多达约75微米的深度。这与先前描述的铝基扩散涂层相反。在典型的扩散涂层中，使涂层经受大于870℃的热处理温度，从而将铝扩散到基底的表面区域中并形成金属铝化物。由于涂层在低于铝向基底的扩散温度的温度下固化，因而本公开的热障涂层基本上不含铝化物。
如本文所用，术语“无机粘合剂”是指在固化时形成无定形的玻璃状基质的组合物，铝基颗粒嵌入其中，封装在其中，被其包封或另外粘附至其。在一些实施方式中，无机粘合剂包括铬酸盐、磷酸盐、钼酸盐、钒酸盐、钨酸盐或它们的组合。
在其中无机粘合剂包括铬酸盐的实施方式中，铬酸盐以六价铬形式存在于溶液中。在将这种形式的铬描述为铬酸盐时，应当理解，在酸性条件下，离子通常可以重铬酸盐的形式存在。为了方便起见，本文使用术语“铬酸盐”。溶液中的铬酸盐可以由铬酸、金属铬酸盐或重铬酸盐提供。含铬酸盐的无机粘合剂组合物可以包括一种或多种金属铬酸盐，包括铬酸铝、铬酸镁、铬酸锌、铬酸铁、铬酸锂、铬酸钙或它们的组合。
在其中无机粘合剂包括磷酸盐的实施方式中，磷酸盐作为磷酸根离子存在于溶液中。磷酸根离子可以从多种来源提供，包括磷酸溶液和其他材料，例如金属的磷酸盐，包括一取代(一元，monobasic)、二取代(二元，dibasic)和三取代(三元，tribasic)盐。含磷酸盐的粘合剂组合物可以包括一种或多种金属磷酸盐，包括磷酸铝、磷酸镁、磷酸铬、磷酸锌、磷酸铁、磷酸锂、磷酸钙或它们的组合。这些盐可与磷酸结合使用以产生酸性磷酸盐溶液。可以使用在溶液中产生磷酸盐的其他酸酐或化合物，例如五氧化二磷、偏亚磷酸、亚磷酸和次磷酸。通过与溶液中的诸如六价铬的氧化剂反应，亚磷酸和次磷酸在这些粘合剂中产生磷酸根离子。
在其中无机粘合剂包括钼酸盐的实施方式中，钼酸盐以钼酸根离子形式存在于溶液中。钼酸根离子可以由三氧化钼或金属钼酸盐提供。
在某些实施方式中，无机粘合剂包括铬酸盐，以及磷酸盐、钼酸盐、钒酸盐和钨酸盐中的一种或多种。在一些这样的实施方式中，铬酸盐与另一种粘合剂(例如磷酸盐)的比例可以在按重量计约1:4至约4:1的范围内变化。在某些实施方式中，无机粘合剂包括铬酸盐-磷酸盐粘合剂。
由于六价铬的毒性和潜在的致癌特性，为了满足健康和安全法规，可能通常需要采用专门的处理程序。专门的处理程序通常会导致成本增加和生产率下降。因此，在某些其他实施方式中，无机粘合剂基本上不含六价铬。在一些这样的实施方式中，无机粘合剂包括胶体二氧化硅。如本文所用，术语“胶体二氧化硅”是指二氧化硅颗粒。胶态二氧化硅的分散体可以酸性或碱性的形式从各种化学制造商获得。此外，可以使用各种形状的二氧化硅颗粒，例如球形、中空、多孔、棒状、板形、薄片或纤维状、以及无定形二氧化硅粉末。
如本领域普通技术人员将理解的，铝基颗粒和粘合剂组合物(诸如例如铬酸盐、磷酸盐或胶体二氧化硅)可在一种或多种处置和后处理步骤过程中进一步彼此相互作用或反应。因此，如本文所用，术语“铝基颗粒”和“无机粘合剂”既意指颗粒和粘合剂的未反应形式也包括反应形式。
就铝和无机粘合剂的量而言，热障涂层的组成可以取决于一个或多个因素，包括相邻粘结涂层(如果存在)的组成、热障涂层所需的热膨胀系数(CTE)特性，和热障涂层所需的热障性能。在某些实施方式中，铝基颗粒的量(在本领域中有时称为“铝负载”)可以保持在热障涂层中，使得热障涂层基本上是热绝缘的和电绝缘的。这与如本文前面所讨论的用于金属基底的牺牲性耐腐蚀涂层相反。尽管前述的这些牺牲性耐腐蚀涂层也可以在无机粘合剂中包括铝基颗粒，但是这些涂层的铝负载保持为使得这些耐腐蚀涂层基本上是导电的。
如本文所用，术语“基本上电绝缘的”是指热障涂层具有大于1欧姆·米(Ω·m)的电阻率。在一些实施方式中，热障涂层的电阻率大于102Ω.m。如本文所用，术语“基本上热绝缘的”是指热障涂层的热导率低于2.2W/m-K。在一些实施方式中，热障涂层的热导率低于1.5W/m-K。
在一些实施方式中，多个铝基颗粒以约20vol％至约70vol％的范围、约30vol％至约60vol％的范围、约50vol％至约60vol％的范围，或其任何组合、子组合、范围或其子范围的量存在于热障涂层中；并且粘合剂以约30vol％至约80vol％的范围、约40vol％至约70vol％的范围、约40vol％至约50vol％的范围或其任何组合、子组合、范围或子范围的量存在于热障涂层中。在某些实施方式中，多个铝基颗粒以约40vol％至约50vol％的范围的量存在于热障涂层中，并且粘合剂以约50vol％至约60vol％的范围的量存在于热障涂层中。如前所述，对热障涂层中的铝负载进行控制，以使热障涂层基本上是电绝缘的。
热障涂层的特征还在于铝基颗粒和无机粘合剂的平均畴尺寸(区域尺寸，domainsize)。这在图2中进一步示出，其中示出了热障涂层120的膨胀部分。热障涂层包括分散在无机粘合剂140中的多个铝基颗粒130。多个铝基颗粒130的特征还在于畴尺寸13，而无机粘合剂的特征在于畴尺寸14。
热障涂层中的铝基颗粒的平均畴尺寸可为至少0.5微米、至少1微米、至少2微米、在约0.5微米至约30微米的范围内、在约1微米至约10微米的范围内，或其任何组合、子组合、范围或子范围。类似地，热障涂层中的粘合剂的平均畴尺寸可为至少0.5微米、至少1微米、至少2微米、在约0.5微米至约5微米的范围内、在约1微米至约5微米的范围内，或其任何组合、子组合、范围或子范围。
在某些实施方式中，分散在无机基质中的铝基颗粒可以进一步以核-壳结构为特征。图3示出了热障涂层120的示意图，该热障涂层120包括例如具有核-壳结构的多个铝基颗粒130。在图3所示的实施方式中，颗粒130包括核132和壳134。应注意，出于说明的目的，图1和图3中的铝基颗粒被描绘为具有球形形状，然而，铝基颗粒的其他形状也涵盖在本公开的范围内。例如，铝基颗粒可以具有圆锥形、管状、正方形、矩形或任何其他不规则形状。
在某些实施方式中，核-壳结构的核132包括铝金属，核-壳结构的壳134包括粘合剂与铝和氧化铝中的一种或两种的复合物。本文所用的术语复合物包括粘合剂与铝/氧化铝的共价和非共价结合的化合物。在某些实施方式中，其中粘合剂包括铬酸盐-磷酸盐粘合剂，核-壳结构的核132包括铝金属，并且核-壳结构的壳134包括磷酸铬酸铝(铝铬酸盐磷酸盐，aluminum chromate phosphate)和磷酸铬酸氧化铝(氧化铝铬酸盐磷酸盐，aluminachromate phosphate)中的至少一种。在一些这样的实施方式中，如图4所示，核-壳结构的壳134还可包括邻近核132设置的第一层135和设置在第一层135上的第二层136。在一些这样的情况下，第一层135包括磷酸铬酸铝，且第二层136包括磷酸铬酸氧化铝。
核-壳结构的核132可具有至少0.5微米、至少1微米、至少2微米、在约0.5微米至约30微米的范围内、在约1微米至约10微米的范围内，或其任何组合、子组合、范围或子范围的平均尺寸。在本上下文中使用的术语“尺寸”是指核-壳结构中核132的最大尺寸，并且对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，将取决于核-壳结构的形状。类似地，核-壳结构的壳134的厚度可为至少0.5微米、至少1微米、至少2微米、在约0.5微米至约5微米的范围内、在约1微米至约5微米的范围内，或其任何组合、子组合、范围或子范围。此外，尽管在图4中将壳134的厚度示为基本均匀，但是厚度也可以不均匀，并且围绕核132的周围而变化。
在一些实施方式中，制品可以进一步包括设置在基底和热障涂层之间的粘合涂层。图5示出了一个实施方式，其中制品100包括粘合涂层150。在图5所示的实施方式中，制品100包括粘合涂层150、热障涂层120和保护涂层(也称为顶涂层)160。粘合涂层150可以由金属抗氧化材料形成，其保护下层基底并使热障涂层更牢固地粘附到基底上。粘合涂层150的厚度可以在约25微米至约500微米的范围内。在一些实施方式中，保护涂层160可以包括CMAS反应性保护涂层、环境障碍涂层或抗腐蚀层。
本公开的涂料可用于在高温下操作或暴露于高温下的多种组件。在某些实施方式中，制品包括汽车组件、机车组件、船舶组件或医疗组件。在一些这样的实施方式中，制品包括柴油发动机组件。在某些实施方式中，还提出了包括根据本公开的实施方式的热障涂层的汽车组件。汽车组件的非限制性示例包括活塞、阀、气缸盖(cylinder head)、排气管(exhaust pipe)、涡轮壳体、催化剂容器、排气歧管或它们的组合。在某些实施方式中，本发明的热障涂层对于向汽车发动机中的活塞提供热保护特别有用。在一些这样的实施方式中，基底包括铝、铁或它们的组合。
在一些实施方式中，还提出了一种在基底上形成热障涂层的方法。可以通过多种常规技术中的任一种将热障涂层直接设置或以其他方式形成在粘合涂层(如果存在)上或基底上。用于设置、沉积或以其他方式形成热障涂层的特定技术可取决于热障涂层的组成、热障涂层所需的厚度和物理结构中的一种或多种。在某些实施方式中，使用浆料将热障涂层直接设置在粘合涂层(如果存在)上或直接设置在基底上。
现在参考图6和图7，示出了在基底110上形成热障涂层120的方法1000。该方法包括，在步骤1001，使包括多个铝基颗粒和无机粘合剂的浆料与基底110的表面101接触以形成浆料涂层121。多个铝基颗粒和无机粘合剂的合适实例已在本文前面进行了描述。
使用浆料来布置热障涂层可以呈现许多优点。例如，可以容易且经济地制备浆料，并且可以容易地调节其铝含量以满足对特定基底的要求。此外，可以通过多种不同的技术将浆料施加到基底上，并且它们的润湿能力有助于确保相对均匀的厚度。浆料包括多个铝基颗粒和有机粘合剂，通常悬浮或以其他方式包含在液体载体组分中。如本文所用，术语“液体载体组分”是指在环境温度下为液体的任何载体组分，并且其中铝基颗粒和有机粘合剂通常被携带、分散或溶解在其中等。液体载体组分包括水性体系(例如，包括水)、有机体系(例如，包括诸如乙醇、丙醇、异丙醇等的醇类，其他液态有机材料或溶剂，例如乙二醇、丙酮、甲苯、二甲苯、烷烃等)或其任何组合。这些液体载体组分可以包括其他任选的材料，例如表面活性剂、缓冲剂等。水性载体组分可以基本上由水组成，即基本上不含其他任选的材料，但更通常地包括其他任选的材料，例如相容的有机溶剂、表面活性剂等。用于水性载体组分的合适的表面活性剂可包括非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、两性离子表面活性剂或其任何组合。
取决于浆料的期望的流变性质、涂层厚度或热障涂层中的铝基颗粒的期望的负载，浆料可以负载有变化比例的铝基颗粒和无机粘合剂。在一些实施方式中，浆料中的液体载体溶剂的量在约10vol％至约50vol％的范围内，在约20vol％至约40vol％的范围内，在约25vol％至约30vol％的范围内，或其任何组合、子组合、范围或子范围。在一些实施方式中，浆料中的铝基颗粒与无机粘合剂的体积比为约0.5至约1.2范围内，约0.5至约1范围内，约0.67至约1范围内的量，或其任何组合、子组合、范围或子范围。浆料可以进一步包含其他任选成分，例如着色剂或颜料、粘度调节剂或控制剂等。
再次参考图6和图7，根据本公开的实施方式的方法1000包括使浆料与基底110的表面101的至少一部分接触的步骤1001。一些实施方式包括使浆料与基底110的基本上所有表面101接触的步骤1001。可以通过本领域中已知的多种技术使浆料与基底接触。在一些实施方式中，例如，浆料可以被粉浆浇注、刷涂、浸涂、喷涂、倾倒、辊压或旋涂在基底表面上。在某些实施方式中，将浆料喷涂在基底的表面上。通过改变所用液体载体的量，可以容易地调节涂料的粘度以进行喷涂。
浆料可以单层或多层施加。因此，在一些实施方式中，可以多次进行步骤1001，直到获得浆料涂层121的期望的厚度。在一些实施方式中，浆料涂层121的厚度在约50微米至约3000微米的范围内。在一些实施方式中，浆料涂层的厚度在约25微米至约1500微米的范围内。在一些实施方式中，浆料涂层的厚度在约25微米至约1000微米的范围内。
再次参考图6和图7，该方法还包括，在步骤1002，在足以固化浆料涂层121并形成热障涂层120的条件下对浆料涂层121进行热处理。如前所述，所形成的热障涂层120涂层包括铝基颗粒，该铝基颗粒通过热障涂层中的粘合剂基本上彼此间隔开，使得热障涂层基本上是电绝缘和热绝缘的。
在一些实施方式中，在将浆料初始施加到基底表面上之后，可以干燥浆料涂层以基本上去除任何挥发物。在浆料涂层的整个厚度被施加之后，可以进行附加的、可选的热处理(干燥步骤)，以进一步去除挥发性物质，例如附加的溶剂(如果使用)和水。用于干燥的热处理条件将部分取决于浆料中挥发性成分的种类。在一些实施方式中，该干燥步骤可包括例如在一定温度(例如，约70℃至约100℃)下风干一段时间(例如，大于15分钟)。如果使用一系列层，则可以在沉积每一层之后进行干燥步骤，以加快挥发性组分的去除。
干燥之后，如图6和图7所示，可以在步骤1002中使用合适的热处理条件来固化浆料涂层121以形成热障涂层。如本文所用，术语“固化”是指引起浆料涂层形成热障涂层的任何处理条件或处理条件的组合。如先前所讨论的，在某些实施方式中，在低于足以将铝从铝基颗粒扩散到基底的表面区域中的温度的温度下对浆料涂层进行热处理。在一些实施方式中，在低于300℃的温度下，在低于250℃的温度下，在约150℃至约250℃范围内的温度下，在约170℃至约200℃范围内的温度下或其任何组合、子组合、范围或子范围，对浆料涂料进行热处理。
如果采用多于一个接触步骤1001，则可以在每个接触步骤1001之后进行干燥和/或固化。在一些实施方式中，该方法可以进一步包括将固化的浆料涂层进行抛光步骤以形成热障涂层。
热障涂层可以非原位(off-site)或原位(on-site)形成为使用中的组件(in-usecomponents)、形成为新组件或它们的组合。如本文所用，使用中的组件是指先前已制造用于和/或投入生产的任何组件。如果需要或期望的话(例如，在维修方法中)，可以在施加浆料之前对制品(例如，柴油发动机部件)进行机械加工，例如以去除损坏或使发动机组件表面光滑。
不受任何理论的束缚，认为本公开的热障涂层可以成本有效的方式提供所需的热障性能，作为陶瓷热障涂层的替代。特别地，本公开的发明人已经发现，包括处于无机粘合剂中的铝基颗粒的热障涂层以经济有效的方式为汽车组件例如活塞提供了期望的热障涂层性质。
实施例
内燃发动机涂覆有包含铝颗粒和铬酸盐-磷酸盐粘合剂的浆料组合物。对活塞的多个部分进行顺次的表面准备、喷涂和抛光步骤，以形成厚度为约150±15微米的热障涂层。评估了涂层的机械性质(例如硬度)、热导率、热膨胀系数匹配、耐久性(例如层裂)和微观结构。热障涂层表现出期望的热导率和与基底匹配的热膨胀系数。此外，标准发动机测试程序后的热障涂层没有显示出或只有显示出最少的层裂，并且显示出优异的硬度值。微观结构的光学显微照片(如图8所示)确切地显示了分散在粘合剂140基质中的多个铝微粒域(铝基颗粒130)。
前述实例仅是说明性的，仅用于例示本发明的一些特征。所附权利要求书旨在广泛地要求保护本发明，并且在此呈现的实施例是从所有可能的实施方式中选择的实施方式的说明。因此，申请人的意图是，所附权利要求不受用于说明本发明的特征的实施例的选择的限制。如在权利要求中所使用的，单词“包括”及其语法变体在逻辑上也被包含并且包括变化和不同程度的短语，诸如例如但不限于，“基本上由...组成”和“由...组成”。必要时提供了范围；那些范围包括它们之间的所有子范围。可以预期，这些范围的变化将向本领域普通技术人员提出自己的建议，并且在尚未将其献给公众的情况下，那些变化应在可能的情况下解释为由所附权利要求书包括。还可以预期，科学和技术的进步将使由于语言的不精确性的原因而现在无法想到的等同和替代成为可能，并且这些变化也应在可能的情况下解释为由所附权利要求书包括。

Claims (21)

1.一种制品，包括：
基底；和
设置在所述基底上的热障涂层，其中所述热障涂层包括分散在无机粘合剂中的多个铝基颗粒，其中所述铝基颗粒通过所述无机粘合剂基本上彼此间隔开，使得所述热障涂层基本上是电绝缘和热绝缘的。
2.根据权利要求1所述的制品，其中所述热障涂层中的所述多个铝基颗粒的平均畴尺寸在约0.5微米至约30微米的范围内。
3.根据权利要求1所述的制品，其中所述热障涂层中的所述无机粘合剂的平均畴尺寸在约0.5微米至约5微米的范围内。
4.根据权利要求1所述的制品，其中所述多个铝基颗粒以约20vol％至约70vol％范围内的量存在于所述热障涂层中，并且所述无机粘合剂以约30vol％至约80vol％范围内的量存在于所述热障涂层中。
5.根据权利要求1所述的制品，其中所述多个铝基颗粒包括铝金属、氧化铝、铝合金或它们的组合。
6.根据权利要求1所述的制品，其中所述无机粘合剂包括铬酸盐、磷酸盐、钼酸盐、钒酸盐、钨酸盐或它们的组合。
7.根据权利要求1所述的制品，其中所述无机粘合剂基本上不含六价铬。
8.根据权利要求1所述的制品，其中所述多个铝基颗粒包括核-壳结构。
9.根据权利要求8所述的制品，其中所述核-壳结构的核包含铝金属，并且所述核-壳结构的壳包含铝和氧化铝中的一种或两种与所述无机粘合剂的复合物。
10.根据权利要求1所述的制品，其中所述制品包括汽车组件、机车组件、船舶组件或医疗组件。
11.根据权利要求1所述的制品，其中所述制品包括柴油发动机组件。
12.一种制品，包括：
汽车组件，包括：
基底；和
设置在所述基底上的热障涂层，其中所述热障涂层包括分散在无机粘合剂中的多个铝基颗粒，其中所述多个铝基颗粒包括核-壳结构，其中所述核-壳结构的核包括铝金属并且所述核-壳结构的壳包括铝和氧化铝中的一种或两种与无机粘合剂的复合物。
13.根据权利要求12所述的制品，其中所述基底包括铝、铁或它们的组合。
14.根据权利要求12所述的制品，其中所述汽车组件包括活塞、阀、气缸盖、排气管、涡轮壳体、催化剂容器、排气歧管或它们的组合。
15.一种在基底上形成热障涂层的方法，包括：
(i)使包括多个铝基颗粒和无机粘合剂的浆料与所述基底的表面接触以形成浆料涂层；和
(ii)在足以固化所述浆料涂层并形成所述热障涂层的条件下热处理所述浆料涂层，其中所述铝基颗粒通过所述热障涂层中的所述无机粘合剂基本上彼此间隔开，使得所述热障涂层基本上是电绝缘和热绝缘的。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述浆料中的所述铝基颗粒与所述无机粘合剂的体积比在约0.67至约1的范围内。
17.根据权利要求15所述的方法，其中在低于足以将铝从所述多个铝基颗粒扩散到所述基底的表面区域中的温度的温度下对所述浆料涂层进行热处理。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在低于300℃的温度下对所述浆料涂层进行热处理。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述多个铝基颗粒包括铝金属、氧化铝、铝合金或它们的组合。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述无机粘合剂包括铬酸盐、磷酸盐、钼酸盐、钒酸盐、钨酸盐或它们的组合。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述无机粘合剂基本上不含六价铬。
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