JP2020109163A - チタンベースのコーティングおよびコーティングを製造する方法 - Google Patents
チタンベースのコーティングおよびコーティングを製造する方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】新規で改良された耐食性コーティング、および耐食性コーティングを形成する方法を提供する。【解決手段】本開示の態様は、チタンベースのコーティング、および表面上にチタンベースのコーティングを製造する方法を提供する。少なくとも１つの態様では、コーティングは、酸素含有量、フッ素含有量、チタン含有量、およびナトリウム含有量を含む。１つ以上の追加の態様では、コーティングは、二酸化チタンおよびＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を含む。１つ以上の追加の態様では、チタンベースのコーティングを製造する方法は、約０．０１Ｍから約０．８Ｍのフッ化チタン、約０．０１Ｍから約２Ｍのナトリウム塩、および約０．１Ｍから約１．５Ｍのフッ素捕捉剤を含む組成物に基板を接触させるステップを含む。【選択図】図１
Description
本開示の態様は、チタンベースのコーティング、および表面上にチタンベースのコーティングを製造する方法を提供する。
航空機の表面は、通常、アルミニウム、鋼、またはチタンなどの金属でできている。航空機の金属表面の腐食保護は、通常、六価クロムを有するプライマーに依存してきた。しかしながら、プライマーおよび前処理から六価クロムの使用を排除する、規制当局の圧力がある。
したがって、新規で改良された耐食性コーティング、および耐食性コーティングを形成する方法の、継続的な需要がある。
本開示の態様は、チタンベースのコーティング、およびアルミニウム表面上にチタンベースのコーティングを堆積する方法を提供する。
少なくとも１つの態様では、コーティングは、酸素含有量、フッ素含有量、チタン含有量、およびナトリウム含有量を含む。
１つ以上の追加の態様では、コーティングは、二酸化チタンおよびＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を含む。
１つ以上の追加の態様では、チタンベースのコーティングを製造する方法は、約０．０１Ｍから約０．８Ｍのフッ化チタン、約０．０１Ｍから約２Ｍのナトリウム塩、および約０．１Ｍから約１．５Ｍのフッ素捕捉剤を含む水溶液組成物に基板を接触させるステップを含む。
本開示の上記の形態が詳細に理解されるように、上記で簡単にまとめられた、本開示のより具体的な説明は、そのうちのいくつかが添付図面に示されている態様を参照することによって得られるだろう。しかしながら、添付図面は本開示の典型的な態様のみを示しており、したがって、本開示は他の等しく有効な態様を認めるので、その範囲の限定とは見なされないことに、留意すべきである。
理解を容易にするために、可能であれば、図面に共通する同一の要素を示すために、同一の参照番号が使用されている。一態様の要素および形態は、さらなる言及を伴わずに他の態様に有益に組み込まれてもよいと考えられる。
本開示の態様は、チタンベースのコーティング、および表面上にチタンベースのコーティングを製造する方法を提供する。少なくとも１つの態様では、コーティングは、酸素含有量、フッ素含有量、チタン含有量、およびナトリウム含有量を含む。１つ以上の追加の態様では、コーティングは、二酸化チタンおよびＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を含む。１つ以上の追加の態様では、チタンベースのコーティングを製造する方法は、約０．０１Ｍから約０．８Ｍのフッ化チタン、約０．０１Ｍから約２Ｍのナトリウム塩、および約０．１Ｍから約１．５Ｍのフッ素捕捉剤を含む組成物に基板を接触させるステップを含む。
組成物にナトリウム塩を含むことでチタンベースのコーティングにナトリウム含有量を提供できることが、見出された（たとえば、結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４などのＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を提供できる）。理論に拘束されることなく、塩添加物のハロゲン化物含有量は、従来のチタンベースのコーティングと比較して、より付着性の高いコーティングの堆積を提供する、基板上の自然表面酸化物をエッチングすることができると考えられる。加えて、ハロゲン化物は通常、アルミニウム基板などの金属基板の腐食を促進すると見なされる。しかしながら、ハロゲン化物含有塩から形成された本開示のチタンベースのコーティング、ならびにナトリウム含有量を含むコーティング（たとえば、結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４などのＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４）は、ナトリウム含有量のないチタンベースのコーティングと比較して、改良された耐食性を提供できることが、見出された。
チタンベースのコーティング
本開示のチタンベースのコーティングは、酸素含有量、フッ素含有量、チタン含有量、およびナトリウム含有量を含む。
本開示のチタンベースのコーティングは、酸素含有量、フッ素含有量、チタン含有量、およびナトリウム含有量を含む。
少なくとも１つの態様では、チタンベースのコーティングは、実質的に均一な厚さを有する。異なる厚さのチタンベースのコーティングは、以下により詳細に説明されるように、基板と水溶液組成物との接触時間を制御することによって得ることができる。一般的に、接触時間が長い方がコーティングが厚くなる。
たとえば、チタンベースのコーティングの厚さは約０．０１ミルから約０．５ミル、たとえば約０．０２ミルから約０．２ミル、たとえば約０．０５ミルから約１．５ミル、たとえば約１ミルであってもよい。コーティングが厚い方が薄いコーティングよりも耐食性が高まる。しかしながら、コーティングが厚すぎると、クラックおよび／または剥離を生じる可能性がある。
１つ以上の態様では、本開示のチタンベースのコーティングは、アモルファス金属酸化物相および結晶性ナトリウム含有相を含む。本明細書で使用される際に、用語「アモルファス」は、Ｘ線回折によって決定されるように、長距離結晶秩序を示さない、および／または実質的な結晶格子構造を有さない、固体材料を指す。本明細書で使用される際に、用語「結晶性」は、Ｘ線回折によって決定されるように、長距離結晶秩序を示す、および／または実質的な結晶格子構造を有する、固体材料を指す。理論に拘束されることなく、アモルファス相は結晶粒界を持たず、結晶粒界の数の減少により、結晶性コーティングと比較して、コーティングの構造的完全性が向上する。
結晶化度は、回折ピークの幅によって決定できる。たとえば、結晶性物質では、幅は１度以下である。幅が２度から１０度あると、これはアモルファスである。
金属酸化物の金属は、チタン（Ｔｉ）であってもよい。したがって、チタンベースのコーティングは、アモルファス酸化チタン相および結晶性フッ化チタン相を含んでもよい。
本開示のチタンベースのコーティングは、フッ素含有量を有することができる。たとえば、チタンベースのコーティングは、Ｘ線分光法（ＥＤＸ）で決定されるように、約１原子パーセント（ａｔ．％）から約８０ａｔ．％、たとえば約１０ａｔ．％から約７０ａｔ．％、約１５ａｔ．％から約５０ａｔ．％、約２０ａｔ．％から約５０ａｔ．％、約２５ａｔ．％から約５０ａｔ．％、約３０ａｔ．％から約４５ａｔ．％、約３５ａｔ．％から約４５ａｔ．％、または約３８ａｔ．％から約４２ａｔ．％、たとえば約４０ａｔ．％などのフッ素含有量を有してもよい。
本開示のチタンベースのコーティングは、酸素含有量を有することができる。たとえば、チタンベースのコーティングは、ＥＤＸで決定されるように、約１原子パーセント（ａｔ．％）から約８０ａｔ．％、たとえば約５ａｔ．％から約６０ａｔ．％、約５ａｔ．％から約５０ａｔ．％、約１０ａｔ．％から約５０ａｔ．％、約１５ａｔ．％から約４５ａｔ．％、約１８ａｔ．％から約３５ａｔ．％、約２０ａｔ．％から約３０ａｔ．％、または約２２ａｔ．％から約２８ａｔ．％、たとえば約２５ａｔ．％などの酸素含有量を有してもよい。
本開示のチタンベースのコーティングは、チタン含有量を有することができる。たとえば、チタンベースのコーティングは、ＥＤＸで決定されるように、約１原子パーセント（ａｔ．％）から約６０ａｔ．％、たとえば約２ａｔ．％から約４０ａｔ．％、約３ａｔ．％から約３０ａｔ．％、約４ａｔ．％から約２５ａｔ．％、約５ａｔ．％から約２０ａｔ．％、約１０ａｔ．％から約２０ａｔ．％、約１２ａｔ．％から約２０ａｔ．％、または約１４ａｔ．％から約１８ａｔ．％、たとえば約１６ａｔ．％などのチタン含有量を有してもよい。
本開示のチタンベースのコーティングは、ナトリウム含有量を有することができる。たとえば、チタンベースのコーティングは、ＥＤＸで決定されるように、約１原子パーセント（ａｔ．％）から約６０ａｔ．％、たとえば約２ａｔ．％から約４０ａｔ．％、約３ａｔ．％から約３０ａｔ．％、約４ａｔ．％から約２５ａｔ．％、約５ａｔ．％から約２０ａｔ．％、約１０ａｔ．％から約２０ａｔ．％、約１２ａｔ．％から約２０ａｔ．％、または約１６ａｔ．％から約２０ａｔ．％、たとえば約１８ａｔ．％などのナトリウム含有量を有してもよい。
本開示のチタンベースのコーティングは、二酸化チタン含有量を有することができる。たとえば、チタンベースのコーティングは、ＥＤＸで決定されるように、コーティングの総重量に基づいて、約１重量パーセント（ｗｔ％）から約９９ｗｔ％、たとえば約５ｗｔ％から約９５ｗｔ％、約５ｗｔ％から約７０ｗｔ％、約３０ｗｔ％から約７０ｗｔ％、約３５ｗｔ％から約６０ｗｔ％、約４０ｗｔ％から約５５ｗｔ％、たとえば約４５ｗｔ％の二酸化チタン含有量を有してもよい。あるいは、チタンベースのコーティングは、約約１ｗｔ％から約２０ｗｔ％、約１ｗｔ％から約１０ｗｔ％、たとえば約８ｗｔ％の二酸化チタン含有量を有することができる。あるいは、チタンベースのコーティングは、約７５ｗｔ％から約９９ｗｔ％、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％、約８０ｗｔ％から約９０ｗｔ％、たとえば約８５ｗｔ％の二酸化チタン含有量を有することができる。二酸化チタンは、アモルファス相など、アモルファス相または結晶相として存在し得る。
本開示のチタンベースのコーティングは、Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４含有量を有することができる。たとえば、チタンベースのコーティングは、ＥＤＸで決定されるように、コーティングの総重量に基づいて、約１重量パーセント（ｗｔ％）から約９９ｗｔ％、たとえば約５ｗｔ％から約９５ｗｔ％、約５ｗｔ％から約７０ｗｔ％、約３０ｗｔ％から約７０ｗｔ％、約３５ｗｔ％から約６０ｗｔ％、約４０ｗｔ％から約５５ｗｔ％、たとえば約４５ｗｔ％のＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４含有量を有してもよい。あるいは、チタンベースのコーティングは、約約１ｗｔ％から約２０ｗｔ％、約１ｗｔ％から約１０ｗｔ％、たとえば約８ｗｔ％のＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４含有量を有することができる。あるいは、チタンベースのコーティングは、約７５ｗｔ％から約９９ｗｔ％、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％、約８０ｗｔ％から約９０ｗｔ％、たとえば約８５ｗｔ％のＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４含有量を有することができる。Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４は、結晶相など、結晶相またはアモルファス相としてコーティング内に存在し得る。
一態様では、本開示のチタンベースのコーティングは、約４０ｗｔ％から約５０ｗｔ％のアモルファス二酸化チタン、および約５０ｗｔ％から約６０ｗｔ％の結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４を含む。
チタンベースのコーティングの製造方法
本開示は、表面上にチタンベースのコーティングを製造する方法をさらに提供する。
本開示は、表面上にチタンベースのコーティングを製造する方法をさらに提供する。
方法は、フッ化チタンを含む水溶液組成物（水中に形成された組成物）を提供するステップを含む。フッ化チタンは、ＴｉＦ４、ＴｉＦ２、または一般式Ａ２ＴｉＦ６を有する金属フッ素錯体であってもよく、ここでＡは水素、アルカリ金属、アンモニウム基、配位水、またはこれらの組み合わせから選択される。たとえば、フッ化チタンは、ヘキサフルオロチタン酸、ヘキサフルオロチタン酸ナトリウム、ヘキサフルオロチタン酸カリウム、またはヘキサフルオロチタン酸アンモニウムであってもよい。たとえば、フッ化チタンは、ヘキサフルオロチタン酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＴｉＦ６）である。フッ化チタンは、コーティングにチタンの供給源およびフッ素の供給源を提供する。
水溶液組成物中のフッ化チタンの濃度は、約０．０１Ｍから約０．８Ｍであってもよい。たとえば、水溶液組成物中のフッ化チタンの濃度は、約０．１Ｍから約０．４Ｍ、約０．１Ｍから約０．３５Ｍ、約０．１５Ｍから約０．３５Ｍ、約０．１５Ｍから約０．３Ｍ、約０．１８Ｍから約０．３Ｍ、約０．１８Ｍから約０．２５Ｍ、約０．１８Ｍから約０．２２Ｍ、たとえば約０．２Ｍであってもよい。フッ化チタンの濃度は、形成されるコーティングの厚さ、コーティングの堆積速度、コーティングの形態、およびまたはコーティングの腐食保護品質の制御を提供することができる。
水溶液組成物は、ナトリウム塩をさらに含む。ナトリウム塩は、塩化ナトリウム、フッ化ナトリウム、臭化ナトリウム、またはヨウ化ナトリウムであってもよく、たとえばナトリウム塩は塩化ナトリウムである。ナトリウム塩は、形成されたコーティングにナトリウムの供給源を提供する。組成物にナトリウム塩を含むことでチタンベースのコーティングにナトリウム含有量を提供できることが、見出された（たとえば、結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４などのＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を提供できる）。ハロゲン化物含有量は、従来のチタンベースのコーティングと比較して、より付着性の高いコーティングの堆積を提供する、基板上の自然表面酸化物をエッチングすることができる。加えて、ハロゲン化物は通常、アルミニウム基板などの金属基板の腐食を促進すると見なされる。しかしながら、ハロゲン化物含有塩（本開示のナトリウム塩）から形成された本開示のチタンベースのコーティング、ならびにナトリウム含有量を含むコーティング（たとえば、結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４などのＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４）は、ナトリウム含有量のないチタンベースのコーティングと比較して、改良された耐食性を提供できることが、見出された。
水溶液組成物中のナトリウム塩の濃度は、約０．０１Ｍから約２Ｍであってもよい。たとえば、水溶液組成物中のナトリウム塩の濃度は、約０．１Ｍから約１．８Ｍ、約０．１Ｍから約１．７Ｍ、約０．１Ｍから約１．２Ｍ、あるいは約０．２Ｍから約１．６Ｍ、約０．３Ｍから約１．５Ｍ、約０．４Ｍから約１．４Ｍ、約０．７５Ｍから約１．４Ｍ、約０．９Ｍから約１．４Ｍ、約１Ｍから約１．３Ｍ、たとえば約１．２Ｍであってもよい。あるいは、水溶液組成物中のナトリウム塩の濃度は、約０．１Ｍから約０．６Ｍ、約０．２Ｍから約０．５Ｍ、約０．２５Ｍから約０．３５Ｍ、たとえば約０．３Ｍである。ナトリウム塩の濃度は、形成されるコーティングの厚さ、コーティングの堆積速度、コーティングの形態、およびまたはコーティングの腐食保護品質の制御を提供することができる。
水溶液組成物は、フッ素捕捉剤をさらに含んでもよい。本明細書で使用される際に、用語「フッ素捕捉剤」は、チタンベースのコーティングを沈殿させるためにフッ化チタンを含む水溶液組成物中のフッ化物イオンを捕捉することが可能な、化合物または元素を指す。フッ化チタン、ナトリウム塩、およびフッ素捕捉剤を含む水溶液組成物を提供し、基板を水溶液組成物に接触させるステップによって、チタンベースのコーティングを基板上に沈殿または堆積させることができる。
フッ素捕捉剤は、ホウ酸、ホウ酸アルカリ金属、ホウ酸アンモニウム、無水ホウ素、一酸化ホウ素、塩化アルミニウム、金属アルミニウム、酸化アルミニウム、またはこれらの組み合わせから選択されてもよい。様々な態様において、フッ素捕捉剤はホウ酸である。
水溶液組成物中のフッ素捕捉剤の濃度は、約０．１Ｍから約１．５Ｍであってもよい。たとえば、水溶液組成物中のフッ素捕捉剤の濃度は、約０．３Ｍから約１Ｍ、約０．３５Ｍから約１Ｍ、約０．３５Ｍから約０．９Ｍ、約０．３５Ｍから約０．８５Ｍ、約０．４Ｍから約０．８５Ｍ、約０．４Ｍから約０．８Ｍ、約０．４Ｍから約０．７５Ｍ、約０．４５Ｍから約０．７５Ｍ、約０．５Ｍから約０．７５Ｍ、約０．５５Ｍから約０．７Ｍ、たとえば約０．６Ｍまたは約０．６５Ｍであってもよい。フッ素捕捉剤の濃度は、形成されるコーティングの厚さ、コーティングの堆積速度、コーティングの形態、およびまたはコーティングの腐食保護品質の制御を提供することができる。
図１は、チタンベースのコーティングを形成する方法１００のフロー図である。チタンベースのコーティングは、基板上でチタンベースのコーティングを得るために、たとえば約１００℃未満の温度で、基板を水溶液組成物に接触させるステップ１０２によって形成され得る。たとえば、基板は、一定時間室温で下向きに溶液中に導入されることが可能である。
基板の形状および構造は、任意に選択することができ、平面に限定されない。たとえば、基板は非平面を有してもよく、アモルファスチタンベースのコーティングが塗布される表面を有してもよい。基板は、ガラス、金属、セラミック、有機ポリマー材料、プラスチック、または半導体など、いずれの適切な材料であってもよい。たとえば、基板は、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、鉄、鉄合金、鋼、チタン、チタン合金、銅、銅合金、またはこれらの混合物でできた金属基板であり得る。
基板は、風力タービンのブレードなどのコンポーネントであり得る。少なくとも１つの態様では、基板はビークルコンポーネントである。ビークルコンポーネントは、航空機、自動車などの、パネルまたはジョイントなどの構造コンポーネントなど、ビークルのいずれか適切なコンポーネントである。ビークルコンポーネントの例は、エーロフォイル（ロータブレードなど）、補助動力装置、航空機の機首、燃料タンク、尾部コーン、パネル、２つ以上のパネル間のコーティングラップジョイント、翼−胴体アセンブリ、構造用航空機複合材、胴体ジョイント、翼リブ−スキンジョイント、および／または他の内部コンポーネントを含む。
基板を水溶液組成物に接触させるステップは、基板を水溶液組成物中に浸漬するステップによって実行され得る。チタンベースのコーティングは、水溶液組成物と接触している基板の少なくとも一部に沈殿し得る。様々な実施形態では、チタンベースのコーティングは、水溶液組成物と接触している基板のほぼ全ての上に沈殿する。
金属酸化物の形成速度は、たとえば、フッ素捕捉剤に対するフッ化チタン、ナトリウム塩に対するフッ化チタン、フッ素捕捉剤に対するナトリウム塩の濃度および比、ｐＨ、および温度によって制御され得る。
たとえば、以下に示される式を参照すると、ルシャトリエの原理により、式の左側のフッ化チタンの濃度が濃い方が、式が右に移動するので正反応が速くなる。同じ原理により、たとえばＨ３ＢＯ３などのフッ素捕捉剤の濃度を上昇させることによって式の右側にあるＨＦの濃度を低くすると、式が右に移動し、金属酸化物の形成が速くなる。
［ＴｉＦ６］２−＋ｎＨ２Ｏ→［ＴｉＦ６−ｎ（ＯＨ）ｎ］２−＋ｎＨＦ
Ｈ３ＢＯ３＋４ＨＦ→ＨＢＦ４＋３Ｈ２Ｏ
［ＴｉＦ６］２−＋ｎＨ２Ｏ→［ＴｉＦ６−ｎ（ＯＨ）ｎ］２−＋ｎＨＦ
Ｈ３ＢＯ３＋４ＨＦ→ＨＢＦ４＋３Ｈ２Ｏ
一方、ｐＨは、標的金属酸化物の可溶性に影響を及ぼす可能性がある。一般的に、標的金属酸化物の可溶性が低い方が、沈殿の駆動力が高くなる。
接触させるステップ１０２は、周囲温度（たとえば、約２３℃などの室温）で実行され得る。あるいは、方法１００は、任意選択的に、基板を水溶液組成物に接触させながら、組成物および／または基板を加熱するステップ１０４を含む。
様々な実施形態では、基板および／または組成物を加熱するステップは、約４５℃、から約７０℃、約５０℃から約６５℃、約５５℃から約６５℃、約６０℃など、約４０℃から約８０℃の温度で実行される。いくつかの実施形態では、基板を水溶液組成物に接触させるステップは、基板上でチタンベースのコーティングを得るために、約６０℃の温度で実行される。
基板を水溶液組成物に接触させるステップ１０２は、チタンベースのコーティングを得るのに十分な任意の適切な時間にわたって実行され得る。この時間は、使用されるフッ化チタン、ならびに基板が水溶液組成物と接触させられる温度に依存し得る。たとえば、より低い温度が使用される場合、チタンベースのコーティングを堆積または形成するためにより長い接触時間が適切であろう。接触時間を制御することによって、基板上に形成されるチタンベースのコーティングの厚さが制御され得る。
様々な態様において、基板を水溶液組成物に接触させるステップは、約４時間から約２４時間、約６時間から約２４時間、約１２時間から約２４時間、たとえば約１６時間など、約２時間から約２４時間の時間にわたって実行される。
態様
これらの変数のうちの１つ以上（たとえば、全て）の全体的な効果は、コーティングの特性に影響を及ぼすことである。影響を受ける特性は、１）厚さおよび形態などの物理的特性（平滑、粗い、割れ、均一、斑状）、２）元素および相組成などの化学的特性、および３）腐食保護、基板との接着などの性能特性（腐食保護、およびコーティングの上に配置された追加コーティング層（プライマーおよびクリアコートなど）に影響を及ぼす可能性がある）、のうちの１つ以上であり得る。
条項１．表面上に設けられるコーティングであって、コーティングは、
酸素含有量と、
フッ素含有量と、
チタン含有量と、
ナトリウム含有量と、
を含むコーティング。
条項２．コーティングは、約０．０１ミルから約０．５ミルの厚さを有する、条項１に記載のコーティング。
条項３．コーティングは、約０．０２ミルから約０．２ミルの厚さを有する、条項１または２に記載のコーティング。
条項４．コーティングは、アモルファス金属酸化物相および結晶性ナトリウム含有相を含む、条項１から３のいずれか一項に記載のコーティング。
条項５．コーティングは、約２５ａｔ．％から約５０ａｔ．％のフッ素含有量を含む、条項１から４のいずれか一項に記載のコーティング。
条項６．コーティングは、約４ａｔ．％から約２５ａｔ．％のナトリウム含有量を含む、条項１から５のいずれか一項に記載のコーティング。
条項７．コーティングは、約１６ａｔ．％から約２０ａｔ．％のナトリウム含有量を含む、条項１から６のいずれか一項に記載のコーティング。
条項８．コーティングは、約２０ａｔ．％から約３０ａｔ．％の酸素含有量を含む、条項１から７のいずれか一項に記載のコーティング。
条項９．コーティングは、約１０ａｔ．％から約２０ａｔ．％のチタン含有量を含む、条項８に記載のコーティング。
条項１０．表面はビークルコンポーネントの表面である、条項１から９のいずれか一項に記載のコーティングを含むビークルコンポーネント。
条項１１．表面上に設けられるコーティングであって、コーティングは二酸化チタンおよびＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を含む、コーティング。
条項１２．コーティングは、コーティングの総重量に基づいて、約３０ｗｔ％から約７０ｗｔ％の二酸化チタン含有量を有する、条項１１に記載のコーティング。
条項１３．コーティングは、コーティングの総重量に基づいて、約３０ｗｔ％から約７０ｗｔ％のＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を有する、条項１１または１２に記載のコーティング。
条項１４．コーティングは、約１０ミルから約５０ミルの厚さを有する、条項１１から１３のいずれか一項に記載のコーティング。
条項１５．コーティングは、約２０ミルから約４０ミルの厚さを有する、条項１１から１４のいずれか一項に記載のコーティング。
条項１６．コーティングは、アモルファス金属酸化物相および結晶性ナトリウム含有相を含む、条項１１から１５のいずれか一項に記載のコーティング。
条項１７．コーティングは、コーティングの総重量に基づいて、約４０ｗｔ％から約５０ｗｔ％のアモルファス二酸化チタンと、約５０ｗｔ％から約６０ｗｔ％の結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４とを含む、条項１１から１６のいずれか一項に記載のコーティング。
条項１８．表面はビークルコンポーネントの表面である、条項１１から１７のいずれか一項に記載のコーティングを含むビークルコンポーネント。
条項１９．チタンベースのコーティングを製造する方法であって、方法は、
約０．０１Ｍから約０．８Ｍのフッ化チタンと、
約０．０１Ｍから約２Ｍのナトリウム塩と、
約０．１Ｍから約１．５Ｍのフッ素捕捉剤と、
を含む組成物に基板を接触させるステップ
を含む方法。
条項２０．組成物は、
約０．１Ｍから約０．４Ｍのフッ化チタンと、
約０．１Ｍから約１．８Ｍのナトリウム塩と、
約０．３Ｍから約１Ｍのフッ素捕捉剤と、
を含む、条項１９に記載の方法。
条項２１．ナトリウム塩は塩化ナトリウムである、条項１９または２０に記載の方法。
条項２２．フッ化チタンは（ＮＨ４）ＴｉＦ６である、条項１９から２１のいずれか一項に記載の方法。
条項２３．フッ素捕捉剤はホウ酸である、条項１９から２２のいずれか一項に記載の方法。
条項２４．基板はアルミニウムを含む、条項１９から２３のいずれか一項に記載の方法。
条項２５．基板は、航空機のビークルコンポーネントである、条項１９から２４のいずれか一項に記載の方法。
条項２６．接触させるステップは、基板を水溶液組成物中に浸漬するステップを含む、条項１９から２５のいずれか一項に記載の方法。
条項２７．約４０℃から約８０℃の温度まで組成物を加熱するステップをさらに含む、条項１９から２６のいずれか一項に記載の方法。
条項２８．約４０℃から約８０℃の温度まで基板を加熱するステップをさらに含む、条項１９から２７のいずれか一項に記載の方法。
これらの変数のうちの１つ以上（たとえば、全て）の全体的な効果は、コーティングの特性に影響を及ぼすことである。影響を受ける特性は、１）厚さおよび形態などの物理的特性（平滑、粗い、割れ、均一、斑状）、２）元素および相組成などの化学的特性、および３）腐食保護、基板との接着などの性能特性（腐食保護、およびコーティングの上に配置された追加コーティング層（プライマーおよびクリアコートなど）に影響を及ぼす可能性がある）、のうちの１つ以上であり得る。
条項１．表面上に設けられるコーティングであって、コーティングは、
酸素含有量と、
フッ素含有量と、
チタン含有量と、
ナトリウム含有量と、
を含むコーティング。
条項２．コーティングは、約０．０１ミルから約０．５ミルの厚さを有する、条項１に記載のコーティング。
条項３．コーティングは、約０．０２ミルから約０．２ミルの厚さを有する、条項１または２に記載のコーティング。
条項４．コーティングは、アモルファス金属酸化物相および結晶性ナトリウム含有相を含む、条項１から３のいずれか一項に記載のコーティング。
条項５．コーティングは、約２５ａｔ．％から約５０ａｔ．％のフッ素含有量を含む、条項１から４のいずれか一項に記載のコーティング。
条項６．コーティングは、約４ａｔ．％から約２５ａｔ．％のナトリウム含有量を含む、条項１から５のいずれか一項に記載のコーティング。
条項７．コーティングは、約１６ａｔ．％から約２０ａｔ．％のナトリウム含有量を含む、条項１から６のいずれか一項に記載のコーティング。
条項８．コーティングは、約２０ａｔ．％から約３０ａｔ．％の酸素含有量を含む、条項１から７のいずれか一項に記載のコーティング。
条項９．コーティングは、約１０ａｔ．％から約２０ａｔ．％のチタン含有量を含む、条項８に記載のコーティング。
条項１０．表面はビークルコンポーネントの表面である、条項１から９のいずれか一項に記載のコーティングを含むビークルコンポーネント。
条項１１．表面上に設けられるコーティングであって、コーティングは二酸化チタンおよびＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を含む、コーティング。
条項１２．コーティングは、コーティングの総重量に基づいて、約３０ｗｔ％から約７０ｗｔ％の二酸化チタン含有量を有する、条項１１に記載のコーティング。
条項１３．コーティングは、コーティングの総重量に基づいて、約３０ｗｔ％から約７０ｗｔ％のＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を有する、条項１１または１２に記載のコーティング。
条項１４．コーティングは、約１０ミルから約５０ミルの厚さを有する、条項１１から１３のいずれか一項に記載のコーティング。
条項１５．コーティングは、約２０ミルから約４０ミルの厚さを有する、条項１１から１４のいずれか一項に記載のコーティング。
条項１６．コーティングは、アモルファス金属酸化物相および結晶性ナトリウム含有相を含む、条項１１から１５のいずれか一項に記載のコーティング。
条項１７．コーティングは、コーティングの総重量に基づいて、約４０ｗｔ％から約５０ｗｔ％のアモルファス二酸化チタンと、約５０ｗｔ％から約６０ｗｔ％の結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４とを含む、条項１１から１６のいずれか一項に記載のコーティング。
条項１８．表面はビークルコンポーネントの表面である、条項１１から１７のいずれか一項に記載のコーティングを含むビークルコンポーネント。
条項１９．チタンベースのコーティングを製造する方法であって、方法は、
約０．０１Ｍから約０．８Ｍのフッ化チタンと、
約０．０１Ｍから約２Ｍのナトリウム塩と、
約０．１Ｍから約１．５Ｍのフッ素捕捉剤と、
を含む組成物に基板を接触させるステップ
を含む方法。
条項２０．組成物は、
約０．１Ｍから約０．４Ｍのフッ化チタンと、
約０．１Ｍから約１．８Ｍのナトリウム塩と、
約０．３Ｍから約１Ｍのフッ素捕捉剤と、
を含む、条項１９に記載の方法。
条項２１．ナトリウム塩は塩化ナトリウムである、条項１９または２０に記載の方法。
条項２２．フッ化チタンは（ＮＨ４）ＴｉＦ６である、条項１９から２１のいずれか一項に記載の方法。
条項２３．フッ素捕捉剤はホウ酸である、条項１９から２２のいずれか一項に記載の方法。
条項２４．基板はアルミニウムを含む、条項１９から２３のいずれか一項に記載の方法。
条項２５．基板は、航空機のビークルコンポーネントである、条項１９から２４のいずれか一項に記載の方法。
条項２６．接触させるステップは、基板を水溶液組成物中に浸漬するステップを含む、条項１９から２５のいずれか一項に記載の方法。
条項２７．約４０℃から約８０℃の温度まで組成物を加熱するステップをさらに含む、条項１９から２６のいずれか一項に記載の方法。
条項２８．約４０℃から約８０℃の温度まで基板を加熱するステップをさらに含む、条項１９から２７のいずれか一項に記載の方法。
実施例
全ての化学物質をＡｌｄｒｉｃｈから入手し、そのまま使用した（精製なし）。
全ての化学物質をＡｌｄｒｉｃｈから入手し、そのまま使用した（精製なし）。
方法：チタンベースのコーティング（サンプル）で被覆したパネルの腐食を、電気化学的方法を用いて監視できる。０．１ＭのＮａＣｌを含む水性電解質中の被覆および未被覆のアルミニウムパネルに対して、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を実行した。中性電解質（ｐＨ６．４を維持するためにホウ酸塩緩衝液を使用）で典型的な測定を実行したが、ｐＨ３．０の酸性条件（ＨＣｌを使用して準備）およびｐＨ１０．０の塩基性条件（ＮａＯＨを使用して準備）での測定も行った。Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極と共に、対電極として白金線を使用した。１０−２から１０５Ｈｚの周波数範囲にわたって±１０ｍＶのＡＣバイアス電圧を使用してＥＩＳ測定を実行した。並列の単一の抵抗器および定位相素子を有する回路モデルを使用して、耐食性を判断した。
室温で１６時間にわたって被覆される表面を下向きにして前駆体溶液中に浸漬するステップによって、コーティングを堆積した。使用した基板は、標準的な表面処理を使用して用意された、約１”×１”の２０２４ Ａｌテストサンプルおよび４”×６”の２０２４ Ａｌパネルであった。被覆後、被覆表面をすすいで（脱イオン水を約１分から５分流す）、室温で乾燥した。
二酸化チタンおよびＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を含むコーティングの外観を、図２Ａに示す。光学的には（図２Ａ）、表面は、くぼみや腐食生成物の堆積など、目に見える腐食の兆候のないつや消しの茶色に見える。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用すると、マイクロメートルサイズの微結晶が見える（図２Ｂ）。
被覆後、ｐＨ６．４のホウ酸塩で緩衝処理された、ならびにｐＨ３および１０で緩衝処理されていない、０．１ＭのＮａＣｌのバルク電解質中で、サンプルの腐食保護をテストした。分極抵抗を決定するために、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を使用した。分極抵抗は、改善された腐食保護に対応する、より高い分極抵抗を有する腐食保護の尺度である。いくつかの二酸化チタン／Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４コーティングの分極抵抗を、図３に示す。コーティングは、約１マイクロメートルから約５マイクロメートルの厚さを有していた。
「Ｔｉ標準」レシピは、０．２Ｍの（ＮＨ４）２ＴｉＦ６、０．６ＭのＨ３ＢＯ３、および０．３ＭのＮａＣｌ前駆体溶液に対応する。「４×ＮａＣｌを含むＴｉ」レシピは、０．２Ｍの（ＮＨ４）２ＴｉＦ６、０．６ＭのＨ３ＢＯ３、および１．２ＭのＮａＣｌ前駆体溶液に対応する。「０．５×Ｈ３ＢＯ３を含むＴｉ」レシピは、０．２Ｍの（ＮＨ４）２ＴｉＦ６、０．３ＭのＨ３ＢＯ３、および０．３ＭのＮａＣｌ前駆体溶液に対応する。「２×Ｈ３ＢＯ３を含むＴｉ」レシピは、０．２Ｍの（ＮＨ４）２ＴｉＦ６、１．０ＭのＨ３ＢＯ３、および０．３ＭのＮａＣｌ前駆体溶液に対応する。「２×Ｈ３ＢＯ３を含むＴｉ ２×」レシピは、０．４Ｍの（ＮＨ４）２ＴｉＦ６、１．０ＭのＨ３ＢＯ３、および０．３ＭのＮａＣｌ前駆体溶液に対応する。ｐＨ６．４で、１００ｋＯｈｍから１ＭＯｈｍの分極抵抗を有するコーティングが得られた。これを、約１０ｋＯｈｍの抵抗を有する未被覆Ａｌ表面と比較し得る。このように、未被覆表面に対して１０倍から１００倍の増加が見られた。
コーティングの組成を決定するために、Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析を実行して結晶相を特定し、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）を実行して元素組成を決定した。図４に示されるように、被覆サンプルは、主にＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を示している（４×ＮａＣｌおよびＴｉ標準レシピパターンを参照）。Ｔｉ標準レシピコーティングを蒸気で処理した後、ＴｉＯ２のブルッカイト相に対応するピークが見られる。（サンプルを下向きにして蒸気処理を行い、１１０℃のオーブンに入れた広口瓶の水面より１インチ上にサンプルを一晩保持した。）結果は、前駆体溶液から堆積されたままのコーティングが、アモルファスＴｉＯ２と共に結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４で構成されることを示している。
図４Ａから図４Ｅは、コーティングのＸＲＤパターンを示す。（上）：０．２Ｍの（ＮＨ４）２ＴｉＦ６＋０．６ＭのＨ３ＢＯ３＋１．２ＭのＮａＣｌである、「ＮａＣｌ ４×」レシピ。（中央）：０．２Ｍの（ＮＨ４）２ＴｉＦ６＋０．６ＭのＨ３ＢＯ３＋０．３ＭのＮａＣｌである、「Ｔｉ標準」レシピ。（下）：蒸気処理後のＴｉ標準レシピからのパターン。ＸＲＤスペクトルに示される小さなピークは、Ａｌ ２０２４合金基板のピークである。
コーティングのＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４とＴｉＯ２との相対量を定量化するために、元素分析（ＥＤＸ）を使用した。ＥＤＸの結果を表１に示す。コーティングは、ＮａＣｌ濃度とは関係なく、全て約２５原子パーセントの酸素を含む。ブルッカイトへの蒸気誘導部分結晶化後に見られるように、この酸素が初期アモルファスＴｉＯ２相に含まれると仮定すると、全体的な元素組成は、４５±１５％のアモルファスＴｉＯ２および５５±１５％の結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４からなるコーティングによってほぼ説明される。
全体として、本開示の方法は、ナトリウム含有量を有する酸化チタンコーティングを提供する。組成物にナトリウム塩を含むことでチタンベースのコーティングにナトリウム含有量を提供できることが、見出された（たとえば、結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４などのＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を提供できる）。理論に拘束されることなく、塩添加物のハロゲン化物含有量は、従来のチタンベースのコーティングと比較して、より付着性の高いコーティングの堆積を提供する、基板上の自然表面酸化物をエッチングすることができると考えられる。加えて、ハロゲン化物は通常、アルミニウム基板などの金属基板の腐食を促進すると見なされる。しかしながら、ハロゲン化物含有塩から形成された本開示のチタンベースのコーティング、ならびにナトリウム含有量を含むコーティング（たとえば、結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４などのＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４）は、ナトリウム含有量のないチタンベースのコーティングと比較して、改良された耐食性を提供できることが、見出された。
航空使用の文脈で一般的に説明されたが、風力タービンブレード、非航空宇宙輸送、および衛星アンテナを含む通信など、本開示の方法の他の可能な使用も考えられる。
本開示の様々な態様の説明は、例示目的のために提示されたものであり、包括的であったり開示された態様に限定するように意図されるものではない。説明された態様の範囲および精神から逸脱することなく、多くの修正および変更が当業者にとって明らかとなるだろう。本明細書で使用される用語は、態様の原理、実際の応用、または市場で見られる技術に対する技術的改善を最もよく説明するために、または他の当業者が本明細書で開示された態様を理解できるようにするために、選択されたものである。上記は本開示の態様を対象としているが、本開示の他のおよびさらなる態様は、その基本的範囲から逸脱することなく考案され得る。
１００ 方法
Claims (20)
- 表面上に設けられるコーティングであって、前記コーティングは、
酸素含有量と、
フッ素含有量と、
チタン含有量と、
ナトリウム含有量と、
を含むコーティング。 - 前記コーティングは、約０．０１ミルから約０．５ミルの厚さを有する、請求項１に記載のコーティング。
- 前記コーティングは、アモルファス金属酸化物相および結晶性ナトリウム含有相を含む、請求項１または２に記載のコーティング。
- 前記コーティングは、約２５ａｔ．％から約５０ａｔ．％のフッ素含有量を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のコーティング。
- 前記コーティングは、約４ａｔ．％から約２５ａｔ．％のナトリウム含有量を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のコーティング。
- 前記コーティングは、約２０ａｔ．％から約３０ａｔ．％の酸素含有量を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のコーティング。
- 前記コーティングは、約１０ａｔ．％から約２０ａｔ．％のチタン含有量を含む、請求項６に記載のコーティング。
- 表面上に設けられるコーティングであって、前記コーティングは二酸化チタンおよびＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４を含む、コーティング。
- 前記コーティングは、前記コーティングの総重量に基づいて、約３０ｗｔ％から約７０ｗｔ％の二酸化チタン含有量を有する、請求項８に記載のコーティング。
- 前記コーティングは、前記コーティングの総重量に基づいて、約３０ｗｔ％から約７０ｗｔ％のＮａ５Ｔｉ３Ｆ１４含有量を有する、請求項８または９に記載のコーティング。
- 前記コーティングは、約１０ミルから約５０ミルの厚さを有する、請求項８から１０のいずれか一項に記載のコーティング。
- 前記コーティングは、アモルファス金属酸化物相および結晶性ナトリウム含有相を含む、請求項８から１１のいずれか一項に記載のコーティング。
- 前記コーティングは、前記コーティングの総重量に基づいて、約４０ｗｔ％から約５０ｗｔ％のアモルファス二酸化チタンと、約５０ｗｔ％から約６０ｗｔ％の結晶性Ｎａ５Ｔｉ３Ｆ１４とを含む、請求項８から１２のいずれか一項に記載のコーティング。
- 前記表面はビークルコンポーネントの表面である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の前記コーティングを含むビークルコンポーネント。
- チタンベースのコーティングを製造する方法であって、前記方法は、
約０．０１Ｍから約０．８Ｍのフッ化チタンと、
約０．０１Ｍから約２Ｍのナトリウム塩と、
約０．１Ｍから約１．５Ｍのフッ素捕捉剤と、
を含む組成物に基板を接触させるステップ
を含む方法。 - 前記フッ化チタンは（ＮＨ４）ＴｉＦ６である、請求項１５に記載の方法。
- 前記フッ素捕捉剤はホウ酸である、請求項１５または１６に記載の方法。
- 接触させるステップは、前記基板を前記水溶液組成物中に浸漬するステップを含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
- 約４０℃から約８０℃の温度まで前記組成物を加熱するステップをさらに含む、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の方法。
- 約４０℃から約８０℃の温度まで前記基板を加熱するステップをさらに含む、請求項１５から１９のいずれか一項に記載の方法。
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