KR102485843B1 - 고온 서비스용 물품들과 관련된 방법 - Google Patents

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Abstract

고온 서비스용 물품이 제시된다. 이러한 물품은 기판과 그러한 기판 상에 배치된 열 장벽 코팅을 포함한다. 그러한 열 장벽 코팅은 무기 바인더에서 분산된 복수의 알루미늄계 입자들을 포함하고, 이러한 알루미늄계 입자들은 무기 바인더를 통해 서로로부터 실질적으로 이격되어 열적 장벽 코팅이 실질적으로 전기적으로 그리고 열적으로 절연된다. 이러한 물품의 제조방법이 또한 제시된다.

Description

고온 서비스용 물품들과 관련된 방법
본 개시물은 일반적으로 고온 서비스에서 사용되는 코팅들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시물은 열 장벽 코팅들을 포함하는 물품들에 관한 것이다.
열 장벽 코팅들은 일반적으로 예컨대 가스 터빈 엔진들과 같은 고온에서 작동하거나 노출되는 물품들에 사용된다. 자동차 산업에서 열 장벽 코팅들의 사용은 또한 엔진들의 효율에 상당한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 열 장벽 코팅들은 일반적으로 더 높은 작동 온도를 허용하여 연료 효율을 높인다.
열 장벽 코팅 재료들의 선택은 높은 융점, 실온과 작동 온도 사이의 상 변환 없음/최소인 상 변환, 낮은 열 전도도, 화학적 불활성, 밑에 있는(underlying) 기판과의 열 팽창 일치(match) 및 밑에 있는 기판에 대한 양호한 점착과 같은 요구 사항에 의해 제한된다. 일반적으로, 세라믹들(예를 들어, 이트리아(ytrria) 안정화된 지르코니아들, 지르코네이트들, 파이로클로르(phyrochlore)들 등)은 열장벽 코팅 재료들로서 성공적으로 사용되고 있다. 그러나 자동차 응용 분야와 같은 응용 분야에서 세라믹 재료들은 비용 효율적이지 않을 수 있으며 금속 기판과 세라믹 재료 사이의 화학적 호환성이 좋지 않기 때문에 기본 금속 기판들(예컨대, 알루미늄 기반 기판들)과의 빈약한 점착성을 겪을 수 있다.
알루미늄과 알루미나계(alumina-based) 코팅들은 모두 관련 분야에 공지되어 있고, 예를 들면 초합금 기판들용 확산 코팅들 또는 강철 기판들용 희생 갈바닉 내부식성 코팅들로서 사용된다.
일반적으로, 고온 터빈 엔진 응용들에서 사용되는 코발트 또는 니켈계 초합금들은 재료의 석출 강화를 위한 주요 구성요소인 알루미늄을 함유한다. 그러나, 산화 온도에 장시간 노출되면 표면에서 알루미늄이 고갈될 수 있다. 알루미늄의 손실은 초합금의 완전성에 손해가 될 수 있기 때문에, 그러한 손실에 대항하는 기술이 연구되어 왔다. 관련 분야에서의 초합금 기판(즉, 그것의 표면 구역에서)의 알루미늄 함유량을 증가시키기 위한 한 가지 방법은 때때로 "알루미나이딩(aluminiding)" 또는 "알루미나이징(aluminizing)"이라고 불린다. 그러한 공정에서, 알루미늄은 기판 상에 알루미늄 또는 알루미나계 코팅(예컨대, 바인더(binder)를 포함하는 슬러리로서)을 적용하고 그러한 코팅이 870℃보다 큰 온도들에서 확산 열 처리를 거침으로써 기판 내로 알루미늄이 도입된다. 상승된 온도는 알루미늄이 녹게 하고 에컨대, 금속-알루미나이드(metal-aluminide) 화합물과 같은 다양한 금속간 화합물(intermetallic)들을 형성하기 위해 밑에 있는 기판 내로 확산시킨다. 예를 들면, 니켈계 초합금 기판의 경우, 알루미늄은 다양한 니켈-알루미나이드 합금들을 형성하기 위해 확산하고 니켈과 접합한다. 그러므로 금속 알루미나이드들에 기초한 확산 코팅들은 실질적으로 높은 온도들(870℃보다 큰)을 사용하는 열 처리를 요구한다. 그러한 상승된 온도들에서, 코팅들의 퇴적을 위해 활용된 바인더 구성요소들은 일반적으로 휘발되고, 열 처리 후의 최종 코팅은 본질적으로 금속 알루미나이드들로 이루어진다.
내부식성 코팅들은 응력 부식 균열을 방지/최소화하기 위해 고강도 강들을 위해 개발되었다. 통상적으로 시판되는 코팅 중 하나는 산성 용액에 알루미늄계 분산액(dispersion)을 함유하고 인산염(phosphate)들 및 크롬산염(chromate)들과 같은 음이온을 함유하는 수계 슬러리(water-based slurry)들을 활용한다. 열 및 경화에 노출되면, 이들 슬러리는 불용성의 전기 전도성 금속/세라믹 복합체로 변환된다. 이들 코팅 제형은 코팅들이 전기 전도적일뿐만 아니라 희생적이도록 설계되고 가공되어 기판에 전류를 발생시키는 성질을 부여한다. 코팅용 기판이 철 금속인 일부 경우들에서는, 솔트-스프레이(salt-spary) 또는 기타 부식성 분위기에서 계속해서 발생하는 전기 화학적 반응들에 의해 철 금속 기판의 부식이 거의 없거나 또는 전혀 없도록 보통 그 자체를 희생시킨다. 증가된 부식 보호를 제공함에 있어서 코팅의 희생성이 그러한 코팅을 전기 전도성을 가지도록 처리함으로써 크게 늘어나는 것이 추가로 확립되었다. 통상적으로, 알루미늄으로 채워진 코팅들은 코팅 표면의 냉간 가공(cold working)(버니싱(burnishing)) 또는 열처리에 의해 희생적이고 전기적으로 활성화된다. 그 목표는 희생적인, 즉 부식시키는 전기 전도성 알루미늄 코팅을 생성하고 인접한 비금속(base metal) 영역들을 부식으로부터 보호하는 것이다. 그러므로 이들 조성물에서의 알루미늄 로딩(loading)은 코팅들이 전기 전도성이 되도록 충분히 높게 유지된다. 또한, 코팅들은 코팅 중 알루미늄 함량이 사용 중에 감소하여 코팅이 희생되도록 설계된다.
그러나, 확산계 알루미나이드 코팅들 또는 희생적인 갈바닉 코팅들은 열 장벽 코팅으로서 기능하면서 원하는 특성을 제공하는 데 효과적이지 않을 수 있다. 예를 들면, 희생적인 갈바닉 코팅은 코팅에서 알루미늄의 더 높은 로딩으로 인해 높은 열전도율 값을 가질 수 있고, 따라서 열 장벽 코팅의 열전도율 요건을 충족시키지 않을 수 있다. 또한, 확산계 알루미나이드 코팅들 또는 희생적인 갈바닉 코팅들은 기판과의 원하는 열팽창 계수를 갖지 않을 수 있으며, 이는 코팅들의 잠재적인 파쇄 및 파손을 야기할 수 있다.
그러므로 열 장벽 코팅들로서 기능을 할 수 있는 개선된 코팅 조성물들에 대한 필요성이 존재한다. 또한, 열 장벽 코팅을 형성하기 위한 개선된 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 개시물의 일 실시예는 기판과 기판 상에 배치된 열 장벽 코팅을 포함하는 물품에 관한 것이다. 이러한 열 장벽 코팅은 바인더에서 분산된 복수의 알루미늄계 입자들을 포함하고, 이러한 알루미늄계 입자들은 열적 장벽 코팅이 실질적으로 전기적으로 그리고 열적으로 절연되도록 바인더를 통해 서로로부터 실질적으로 이격되어 있다.
본 개시물의 또 다른 실시예는 자동차 구성요소를 포함하는 물품에 관한 것이다. 이러한 자동차 구성요소는 기판과 그러한 기판 상에 배치된 열 장벽 코팅을 포함한다. 이러한 열 장벽 코팅은 바인더에서 분산된 복수의 알루미늄계 입자들을 포함하고, 이 경우 그러한 복수의 알루미늄계 입자들은 코어-쉘(core-shell) 구조를 포함하고, 이러한 코어-쉘 구조의 코어는 알루미늄 금속을 포함하며, 그러한 코어-쉘 구조의 쉘은 바인더와, 알루미늄과 알루미나 중 하나 또는 둘 다의 복합체(complex)를 포함한다.
본 개시물의 또 다른 실시예는 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 슬러리 코팅을 형성하기 위해 복수의 알루미늄계 입자들과 무기 바인더를 포함하는 슬러리를 기판의 표면과 접촉시키는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 또한 그러한 슬러리 코팅을 경화시키고 열 장벽 코팅을 형성하기에 충분한 조건 하에 그러한 슬러리 코팅을 열 처리하는 단계를 포함하고, 그러한 경우 알루미늄계 입자들은 열 장벽 코팅이 실질적으로 전기적으로 그리고 열적으로 절연되도록 열 장벽 코팅에서 바인더를 통해 서로로부터 실질적으로 이격되어 있다.
본 개시물의 이들 특징들, 양태들, 및 장점들은 이어지는 상세한 설명이 첨부 도면들을 참조하여 읽혀질 때 더 잘 이해될 것이고, 이러한 첨부 도면들에서는 동일한 문자들이 도면들 전반에 걸쳐 동일한 부품들을 나타낸다.
도 1은 본 개시물의 일 실시예에 따른 물품의 개략도.
도 2는 본 개시물의 일 실시예에 따른 물품의 개략도.
도 3은 본 개시물의 일 실시예에 따른 물품의 개략도.
도 5는 본 개시물의 일 실시예에 따른 물품의 개략도.
도 6은 본 개시물의 일 실시예에 따른 열 장벽 코팅을 형성하는 방법의 흐름도.
도 7은 본 개시물의 일 실시예에 따른 열 장벽 코팅을 형성하는 방법을 예시하는 도면.
본 명세서 및 청구항들 전반에 걸쳐 사용된 바와 같은 근사 언어(approximating language)는, 관련되는 기본 기능의 변화를 초래하지 않으면서 허용적으로 변할 수 있는 임의의 정량적 표현을 수정하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약" 및 "실질적으로"와 같은 용어에 의해 수정된 값은 명시된 정확한 값으로 제한되지 않아야 한다. 일부 예들에서, 근사 언어는 값을 측정하기 위한 기기의 정밀도에 해당할 수 있다. 본 명세서 및 청구항 전반에 걸쳐, 범위 제한은 조합 및/또는 교환될 수 있으며, 이러한 범위들은 식별되고 문맥 또는 언어가 달리 지시하지 않는 한 그에 포함된 모든 하위 범위들을 포함한다.
이어지는 명세서 및 청구항들에서, 단수 형태들인 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명백하게 다르게 지시되지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "또는(or)"이라는 용어는 배타적인 것으로 의도되지 않으며, 존재하는 참조된 구성요소들 중 적어도 하나를 지칭하고, 문맥상 명백하게 다르게 지시되지 않는 한, 참조된 구성요소들의 조합이 존재할 수 있는 경우들을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이 "may" 및 "may be"와 같은 용어들은 일련의 상황 내에서 발생할 가능성을 나타내고; 특정 재산, 특징 또는 기능의 소유; 및/ 또는 적격 동사와 연관된 역량, 능력 또는 가능성 중 하나 이상을 표현함으로써 다른 동사를 한정할 수 있다. 따라서, 일부 상황들에서, 수정된 용어는 때때로 적절하지 않고, 능력이 있지 않고 적합하지 않을 수 있음을 고려하면서 "may" 및 "may be"의 사용은 수정된 용어가 명백히 적절하거나, 능력이 있거나, 지시된 용량, 기능 또는 사용에 적합하다는 것을 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이 "코팅(coating)"이라는 용어는 밑에 있는(underlying) 표면의 적어도 일부 상에 연속적 또는 불연속적인 방식으로 배치 된 재료를 지칭한다. 또, "코팅"이라는 용어는 배치된 재료의 균일한 두께를 반드시 의미하지는 않고, 그러한 배치된 재료는 균일하거나 가변적인 두께를 가질 수 있다. "코팅"이라는 용어는 코팅 재료의 단일 층을 지칭하거나 코팅 재료의 복수의 층을 지칭할 수 있다. 코팅 재료는 복수의 층들에서 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "~ 상에 배치된(disposed on)"이라는 용어는 구체적으로 다르게 가리키지 않는 한, 서로 직접적으로 접촉하게 또는 사이에 끼이는 층들을 가짐으로써 간접적으로 배치된 층들 또는 코팅들을 지칭한다. "~ 상에 배치된(disposed on)"이라는 용어는 연속 또는 불연속적인 방식으로 밑에 있는 또는 인접 표면과 접촉하는 재료를 놓는 방법을 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 "인접한(adjacent)"이라는 용어는 2개의 재료 또는 코팅들이 연속적으로 배치되고 서로 직접 접촉한다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "세라믹(ceramic)"이라는 용어는 금속의 산화물, 탄화물, 질화물 등을 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "실질적으로 ~이 없는(substantially free)"은 지시된 화합물, 재료, 구성요소 등이 예를 들어 약 0.5 wt% 이하의 수준으로, 보다 전형적으로는 달리 명시되지 않는 한 약 0.1% wt% 이하의 수준으로와 같이 최소로 존재하거나 전혀 존재하지 않는 것을 의미한다.
일부 실시예들에서는 물품이 제시된다. 그러한 물품은 기판 및 기판 상에 배치된 열 장벽 코팅을 포함한다. 이러한 열 장벽 코팅은 무기 바인더에서 분산된 복수의 알루미늄계 입자들을 포함한다. 알루미늄계 입자들은 열 장벽 코팅이 실질적으로 전기적으로 그리고 열적으로 절연되도록 바인더를 통해 서로 실질적으로 이격되어 있다.
도 1은 본 개시물의 일 실시예에 따른 물품(100)을 예시한다. 물품(100)은 기판(110)과 기판 상에 배치된 열 장벽 코팅(120)을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "열 장벽 코팅"이라는 용어는 물품의 밑에 있는 기판으로의 열 흐름을 감소시킬 수 있는 재료를 포함하는, 즉 열 장벽을 형성하는 코팅을 지칭한다. "열 장벽 코팅"과 "코팅"은 본 명세서에서 상호 교환 가능하게 사용된다.
이러한 열 장벽 코팅은 또한 그것의 두께를 그 특징으로 할 수 있다. 열 장벽 코팅의 두께는 기판과 그것 상에 놓이는 구성요소에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 그러한 열 장벽 코팅은 약 50미크론과 약 3000미크론 사이의 범위에 있는 두께를 가진다. 일부 실시예들에서, 그러한 열 장벽 코팅은 약 25미크론과 약 1500미크론 사이의 범위에 있는 두께를 가진다. 일부 실시예들에서, 그러한 열 장벽 코팅은 약 25미크론과 약 1000미크론 사이의 범위에 있는 두께를 가진다. 그러한 열 장벽 코팅은 일부분 위 또는 기판 전체 위에 걸쳐 배치될 수 있다. 그러한 기판은 그러한 열 장벽 코팅이 적용되는 구성요소의 성질에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 그러한 기판은 금속, 금속 함금, 또는 그들의 조합을 포함한다. 특정 실시예들에서, 그러한 기판은 철, 철 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "알루미늄계 입자들"이라는 용어는 알루미늄 금속, 알루미나, 알루미늄 합금, 또는 이들의 조합을 포함하는 입자들을 지칭한다. 알루미나는 보통 Al2O3라는 화학식을 가지고, 본 개시물의 상황에서는 비수화(unhydrated) 형태와 수화(hydrated) 형태들을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "입자들"이라는 용어는 입자, 분말, 플레이크(flake), 플레이트(plate), 로드(rod), 파이버(fiber), 와이어(wire), 메시(mesh), 또는 이들의 조합을 지칭한다. 그러한 입자들은 예를 들면 연마(grinding), 분쇄(shredding), 단편화(fragmenting), 마쇄(pulverizing), 분무작용(atomization)(예를 들어, 기체 분무작용), 또는 더 큰 형태의 재료를 비교적 작은 형태로 세분화하는 것에 의해 형성될 수 있다. 알루미늄계 입자들은 다양한 표준 크기들을 가지고 사용될 수 있다. 알루미늄계 입자들의 크기는 기판의 타입; 그러한 기판에 코팅이 적용되는 기술, 그러한 코팅에 존재하는 다른 구성요소의 동일성(identity), 및 이들 구성요소들의 상대적인 양들과 같은 여러 인자(factor)들에 따라 달라질 수 있다. 보통 그러한 알루미늄계 입자들은 약 0.5미크론과 약 100미크론 사이의 범위에 있는 평균 입자 크기를 가진다. 일부 실시예들에서, 알루미늄계 입자들은 약 0.5미크론과 약 80미크론 사이, 약 1미크론과 약 50미크론 사이, 약 1미크론과 약 30미크론 사이의 범위, 또는 이들의 임의의 조합, 하위-조합(sub-combination), 범위 또는 그것의 하위-범위(sub-range)에 있는 평균 입자 크기를 가진다.
일부 실시예들에서, 복수의 알루미늄계 입자들은 실질적으로 알루미나이드가 없다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 "알루미나이드" 또는 "알루미나이드-함유"라는 용어는 코팅 금속 합금들(특히 초합금들)에서 전형적으로 사용되거나 코팅 공정 동안 또는 코팅 공정 후(예컨대, 확산 공정에 의한) 형성되는 다양한 알루미늄을 함유하는 재료들을 포함하는 것을 의미한다. 비제한적인 예들은 백금 알루미나 이드, 니켈 알루미나이드, 백금-니켈 알루미나이드, 내화-도핑된 알루미나이드들, 또는 이들 화합물 중 하나 이상을 함유하는 합금들을 포함한다. 특정 실시예들에서는, 복수의 알루미늄-입자들이 0.5 wt% 미만의 알루미나이드를 포함한다.
특정 실시예들에서, 기판의 표면 영역은 실질적으로 알루미나이드가 없다. 특정 실시예들에서, 그러한 기판의 표면 영역은 실질적으로 알루미늄계 입자들로부터 기판 내로의 알루미늄의 확산에 의해 형성된 알루미나이드가 없다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "표면 영역"은 보통 표면 내로 최대 약 200미크론의 깊이까지, 그리고 더 빈번하게는 표면 내로 최대 약 75미크론의 깊이까지 연장한다. 이것은 앞에서 설명한 알루미늄 기반 확산 코팅들과는 대조적이다. 전형적으로 확산 코팅들에서, 코팅은 870℃보다 큰 열처리 온도에 노출되어 알루미늄을 기판의 표면 영역으로 확산시키고 금속 알루미나이드를 형성한다. 본 개시물의 열 장벽 코팅들은 실질적으로 알루미나이드가 없는데, 이는 그 코팅들이 기판 내로의 알루미늄에 대한 확산 온도보다 낮은 온도들로 경화되기 때문이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "무기 바인더(inorganic binder)"라는 용어는 경화될 때 알루미늄계 입자들이 매립되거나, 캡슐화되거나, 둘러싸이거나 또는 다른 방식으로 접착되는 비정질 유리질(glassy) 매트릭스를 형성하는 조성물을 지칭한다. 일부 실시예들에서는, 이러한 무기 바인더가 크롬산염(chromate), 인산염(phosphate), 몰리브덴산염(molybdate), 바나듐산염(vanadate), 텅스텐산염(tungstate), 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시에들에서, 이러한 무기 바인더는 크롬산염을 포함하고, 이러한 크롬산염은 용액에서 6가 크롬(hexavalent chromium)으로서 존재한다. 이러한 형태의 크롬을 크롬산염으로 설명하는 동안, 산 조건(acid condition) 하에서 이온은 일반적으로 중크롬산염으로서 존재할 수 있음을 이해해야 한다. 본 명세서에서는 편의상 "크롬산염"이라는 용어가 사용된다. 이러한 용액에서의 크롬산염은 크롬산, 금속 크름, 또는 중크롬산염에 의해 공급될 수 있다. 크롬산염을 함유하는 무기 바인더 조성물들은 알루미늄 크롬산염, 마그네슘 크롬산염, 아연 크롬산염, 철 크롬산염, 리튬 크롬산염, 칼슘 크롬산염, 또는 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 금속 크롬산염을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 무기 바인더는 인산염을 포함하고, 이러한 인산염은 용액에서 인산 이온으로서 존재한다. 인산 이온은 인산 용액들 및 일 염기, 이 염기 및 삼 염기 염을 포함한 금속들의 인산염들과 같은 다른 재료들을 포함하는 다양한 공급원으로부터 공급될 수 있다. 인산 함유 바인더 조성물들은 알루미늄 인산염, 마그네슘 인산염, 크롬 인산염, 아연 인산염, 철 인산염, 리튬 인산염, 칼슘 인산염, 또는 이들의 조합을 포함하는, 하나 이상의 금속 인산염들을 포함할 수 있다. 이들 염들은 인산과 함께 사용되어 산 인산염 용액(acid phosphate solution)을 생성 할 수 있다. 오산화 인, 메타 인산, 아인산 및 차아 인산과 같은 용액에서 인산염을 생성하는 다른 무수물 또는 화합물이 사용될 수 있다. 아인산 및 차아 인산은 용액 내의 6가 크롬과 같은 산화제와 반응하여 이들 바인더들에서 인산 이온을 생성한다.
실시예들에서, 무기 바인더는 몰리브덴산염를 포함하고, 이러한 몰리브덴산염은 용액에서 몰리브덴산염 이온으로서 존재한다. 몰리브덴산염 이온은 몰리브덴 삼산화물 또는 금속 몰리브덴산염들로부터 공급될 수 있다.
특정 실시예들에서, 무기 바인더는 크롬산염과 인산염, 몰리브덴산염, 바나듐산염, 및 텅스텐산염 중 하나 이상을 포함한다. 일부 그러한 실시예들에서, 또 다른 바인더(예컨대, 인산염)에 대한 크롬산염의 비는 중량이 약 1:4와 약 4:1 사이의 범위에서 변할 수 있다. 특정 실시예들에서, 무기 바인더는 크롬산염-인산염 바인더를 포함한다.
6가 크롬의 독성 및 잠재적 발암 특성 때문에, 건강 및 안전 규정을 만족시키기 위해 특별한 취급 절차가 일반적으로 이용될 필요가 있을 수 있다. 이러한 특별한 취급 절차들로 인해 종종 비용이 증가하고 생산성이 저하될 수 있다. 그러므로 특정 다른 실시예들에서는 무기 바인더가 실질적으로 6가 크롬이 없다. 일부 그러한 실시예들에서, 무기 바인더는 콜로이드성 실리카(colloidal silica)를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "콜로이드성 실리카"는 실리카 입자를 지칭한다. 콜로이드성 실리카의 분산액은 산성 형태 또는 염기성 형태로 다양한 화학 제조사들로부터 입수 가능하다. 또한, 비정질 실리카 분말뿐만 아니라 다양한 형태의 실리카 입자들, 예를 들어 구형, 중공형, 다공성형, 막대(rod)형, 플레이트형, 플레이크(flake)형 또는 섬유(fibrous)형의 실리카 입자들이 사용될 수 있다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 알루미늄계 입자들 및 결합제 조성물들(예를 들어, 크롬산염, 인산염 또는 콜로이드성 실리카와 같은)은 하나 이상의 배치 및 후-처리(post-processing) 단계들 동안 서로 더 상호 작용하거나 반응할 수있다. 따라서, 본 명세서에 사용된 용어들인 "알루미늄계 입자들" 및 "무기 결합제"는 입자들과 바인더의 반응하지 않은 형태 및 반응된 형태 모두를 암시한다.
알루미늄 및 무기 바인더의 양으로 열 장벽 코팅의 조성은 인접한 본드(bond) 코트 층의 조성(존재하는 경우), 열 장벽 코팅에 대해 요구되는 열 팽창 계수(CTE) 특징들 및 열 장벽 코팅에 대해 요구되는 열 장벽 특성들을 포함하는, 하나 이상의 인자들에 따라 달라질 수 있다. 특정 실시예들에서, 열 장벽 코팅이 실질적으로 열적으로 그리고 전기적으로 절연되도록 알루미늄계 입자들의 양(때때로 관련 분야에서 "알루미늄 로딩(aluminium loading"이라고 지칭되는)은 열 장벽 코팅에서 유지될 수 있다. 이는 본 명세서에서 전술한 바와 같은, 금속 기판들에 대해 활용된 희생성의 내식성 코팅들과는 대조적인 것이다. 비록, 이들 전술한 희생적인 내식성 코팅들이 또한 무기 바인더에서 알루미늄계 입자들을 포함할 수 있더라도, 이들 코팅들의 알루미늄 로딩은 이들 내식성 코팅들이 실질적으로 전기 전도성이도록 유지된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "실질적으로 전기적 절연성인"이라는 용어는 열 장벽 코팅이 1Ω.m보다 큰 전기 고유 저항을 가진다는 것을 의미한다. 일부 실시예들에서, 열 장벽 코팅의 전기 고유 저항은 102Ω.m 보다 크다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "실질적으로 열적으로 절연성인"이라는 용어는 열 장벽 코팅이 2.2W/m-K보다 낮은 열전도율을 가진다는 것을 의미한다. 일부 실시예들에서, 열 장벽 코팅의 열전도율은 1.5W/m-K보다 낮다.
일부 실시예들에서는, 복수의 알루미늄계 입자들이 열 장벽 코팅에서 약 20부피 백분율과 약 70부피 백분율 사이의 범위, 약 30부피 백분율과 약 60부피 백분율 사이의 범위, 약 50부피 백분율과 약 60부피 백분율 사이의 범위, 또는 이들의 임의의 조합, 하위-조합, 범위 또는 그것의 하위-범위에 있는 양만큼 존재하고, 바인더는 열 장벽 코팅에서 약 30부피 백분율과 약 80부피 백분율 사이의 범위, 약 40부피 백분율과 약 70부피 백분율 사이의 범위, 약 40부피 백분율과 약 50부피 백분율 사이의 범위, 또는 이들의 임의의 조합, 하위-조합, 범위 또는 그것의 하위-범위에 있는 양만큼 존재한다. 특정 실시예들에서, 복수의 알루미늄계 입자들은 약 40부피 백분율과 약 50부피 백분율 사이의 범위에 있는 양만큼 열 장벽 코팅에 존재하고, 바인더는 약 50부피 백분율과 약 60부피 백분율 사이의 범위에 있는 양만큼 열 장벽 코팅에 존재한다. 전술한 바와 같이, 열 장벽 코팅에서의 알루미늄의 로딩은 열 장벽 코팅이 실질적으로 전기적 절연성이도록 제어된다.
이러한 열 장벽 코팅은 또한 알루미늄계 입자들과 무기 바인더의 평균 영역 크기(average domain size)를 그 특징으로 한다. 이는 또한 도 2에 예시되고, 이 도 2에는 열 장벽 코팅(120)의 확장된 부분이 예시된다. 이러한 열 장벽 코팅은 무기 바인더(140)에 분산된 복수의 알루미늄계 입자들(130)을 포함한다. 이러한 복수의 알루미늄계 입자들(130)은 또한 영역 크기(13)를 그 특징으로 하고 무기 바인더는 영역 크기(14)를 그 특징으로 한다.
열 장벽 코팅에서의 알루미늄계 입자들의 평균 영역 크기는 적어도 0.5미크론, 적어도 1미크론, 적어도 2미크론, 약 0.5미크론과 약 30미크론 사이의 범위, 약 1미크론과 약 10미크론 사이의 범위, 또는 임의의 조합, 하위-조합, 범위 또는 그것의 하위-범위에 있을 수 있다. 유사하게, 열 장벽 코팅에서의 바인더의 평균 영역 크기는 적어도 0.5미크론, 적어도 1미크론, 적어도 2미크론, 약 0.5미크론과 약 5미크론 사이의 범위, 약 1미크론과 약 5미크론 사이의 범위, 또는 임의의 조합, 하위-조합, 범위 또는 그것의 하위-범위에 있을 수 있다.
특정 실시예들에서, 무기 매트릭스에 분산된 알루미늄계 입자들은 또한 코어-쉘 구조를 그 특징으로 할 수 있다. 도 3은 예를 들면 코어-쉘 구조를 가지는 복수의 알루미늄계 입자들(130)을 포함하는 열 장벽 코팅(120)의 개략도를 예시한다. 도 3에 예시된 실시예에서, 입자(130)는 코어(132)와 쉘(134)을 포함한다. 예시의 목적으로 도 1 및 도 3에서의 알루미늄계 입자들은 구 모양을 가지는 것으로 나타나 있지만, 알루미늄계 입자들의 다른 모양들이 본 개시물의 범주 내에 또한 포함된다는 점이 주목되어야 한다. 예를 들면, 알루미늄계 입자들은 원뿔형, 관형, 정사각형, 직사각형 또는 임의의 다른 불규칙한 모양을 가질 수 있다.
특정 실시예에서, 코어-쉘 구조의 코어(132)는 알루미늄 금속을 포함하고 코어-쉘 구조의 쉘(134)은 바인더와 알루미늄 및 알루미나 중 하나 또는 둘 다의 복합체(complex)를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 복합체라는 용어는 알루미늄/알루미나와 바인더의 공유 및 비공유 결합된(bound) 화합물들 모두를 포함한다. 바인더가 크롬산염-인산염 바인더를 포함하는 특정 실시예들에서는, 코어-쉘 구조의 코어(132)가 알루미늄 금속을 포함하고, 코어-쉘 구조의 쉘(134)은 알루미늄 크롬산염 인산염과 알루미나 크롬산염 인산염 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 그러한 실시예들에서는 도 4에 예시된 바와 같이, 코어-쉘 구조의 쉘(134)이 코어(132)에 근접하여 배치된 제1 층 (135) 및 제1 층(135) 상에 배치된 제2 층(136)을 더 포함 할 수 있다. 그러한 몇몇 경우들에서, 제1 층(135)은 알루미늄 크롬산염 인산염을 포함하고, 제2 층(136)은 알루미나 크롬산염 인산염을 포함한다.
코어-쉘 구조의 코어(132)는 적어도 0.5미크론, 적어도 1미크론, 적어도 2미크론, 약 0.5미크론과 약 30미크론 사이의 범위, 약 1미크론과 약 10미크론 사이의 범위, 또는 임의의 조합, 하위-조합, 범위 또는 그것의 하위-범위에 있는 평균 크기를 가질 수 있다. 본 상황에서 사용된 바와 같은 "크기(size)"라는 용어는 코어-쉘 구조에서의 코어(132)의 가장 큰 치수를 지칭하고, 당업자에게 명백해지듯이 코어-쉘 구조의 모양에 따라 달라질 수 있다. 유사하게, 코어-쉘 구조의 쉘(134)의 두께는 적어도 0.5미크론, 적어도 1미크론, 적어도 2미크론, 약 0.5미크론과 약 5미크론 사이의 범위, 약 1미크론과 약 5미크론 사이의 범위, 또는 임의의 조합, 하위-조합, 범위 또는 그것의 하위-범위에 있을 수 있다. 또, 비록 쉘(134)의 두께가 도 4에서는 실질적으로 균일한 것으로 예시되지만, 그 두께는 균일하지 않을 수 있고 코어(132)의 주변부(periphery) 둘레에서 변할 수 있다.
일부 실시예들에서, 물품은 기판과 열 장벽 코팅 사이에 배치된 본드 코팅(bond coating)을 더 포함할 수 있다. 도 5는 물품(100)이 본드 코팅(150)을 포함하는 실시예를 예시한다. 도 5에 예시된 실시예에서는 물품(100)이 본드 코팅(150), 열 장벽 코팅(120), 보호 코팅(톱-코트(top-coat)라고도 지칭됨)(160)을 포함한다. 본드 코팅(150)은 밑에 있는 기판을 보호하고 열 장벽 코팅이 기판에 더 차지게 접착될 수 있게 하는 금속 산화 방지 재료로 형성될 수 있다. 본드 코팅(150)은 약 25미크론과 약 50미크론 사이의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 보호 코팅(160)은 CMAS-반응성 보호 코팅, 환경 장벽 코팅, 또는 내식성 층을 포함할 수 있다.
본 개시물의 코팅들은 고온들에서 작동되거나 고온들에 노출되는 매우 다양한 구성요소들에서 유용할 수 있다. 특정 실시예들에서, 물품은 자동차 구성요소, 기관차 구성요소, 선박 구성요소, 또는 의료 구성요소를 포함한다. 몇몇 그러한 실시예들에서는 물품이 디젤 엔진 구성요소를 포함한다. 특정 실시예에서, 본 개시물의 실시예들에 따른 열 장벽 코팅들을 포함하는 자동차 구성요소가 또한 제시된다. 자동차 구성요소들의 비제한적인 예들은 피스톤, 밸브, 실린더 헤드, 배기관, 터보 하우징, 촉매 용기(catalyst container), 배기 매니폴드(exhaust manifold), 또는 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시예들에서, 본 개시물의 열 장벽 코팅들은 특히 자동차 엔진에서 피스톤들에 열적 보호를 제공하는데 유용하다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 기판은 알루미늄, 철, 또는 그것들의 조합을 포함한다.
일부 실시예들에서는 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법이 또한 제시된다. 이러한 열 장벽 코팅은 본드 코팅(존재하는 경우) 또는 임의의 다양한 종래 기술에 의해 기판 상에 직접 배치되거나 달리 형성될 수 있다. 열 장벽 코팅을 배치, 퇴적 또는 달리 형성하기 위해 사용된 특별한 기술은 열 장벽 코팅의 조성물, 두께, 열 장벽 코팅을 위해 바라는 물리적 구조 중 하나 이상에 따라 달라질 수 있다. 특정 실시예들에서, 그러한 열 장벽 코팅은 본드 코팅(존재하는 경우) 상에 배치되거나 슬러리를 사용하여 기판 상에 직접 배치된다.
이제 도 6과 도 7을 참조하면, 열 장벽 코팅(120)을 기판(110) 상에 형성하는 방법(1000)이 예시된다. 이러한 방법은 단계(1001)에서 슬러리 코팅(121)을 형성하기 위해 복수의 알루미늄계 입자들과 무기 바인더를 포함하는 슬러리를 기판(110)의 표면(101)과 접촉시키는 단계를 포함한다. 복수의 알루미늄계 입자들과 무기 바인더의 적합한 예들은 본 명세서에서 상술하였다.
열 장벽 코팅을 배치하기 위해 슬러리를 사용하는 것은 많은 장점들을 제시할 수 있다. 예를 들면, 슬러리들은 쉽게 그리고 값싸게 마련될 수 있고, 그것들의 알루미늄 함유량은 특별한 기판에 대한 요구 조건을 맞추도록 바로 조정될 수 있다. 또한, 그러한 슬러리들은 다수의 상이한 기술에 의해 기판에 적용될 수 있고, 그것들의 습윤 능력(wetting ability)은 비교적 균일한 두께를 보장하는 것을 돕는다. 슬러리는 보통 액체 캐리어 구성요소(liquid carrier component)에서 떠 있거나 달리 함유된 복수의 알루미늄계 입자들과 유기 바인더를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 "액체 캐리어 구성요소"라는 용어는 주위 온도에서 액체이고 알루미늄계 입자들 및 유기 결합 제가 전형적으로 운반, 분산, 용해되는 등의 임의의 캐리어 구성요소를 지칭한다. 액체 담채 구성요소들은 수성 시스템들(예를 들어, 물 포함), 유기 시스템들(예를 들어, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 등과 같은 알코올, 에틸렌 글리콜, 아세톤, 톨루엔, 자일렌, 알칸들 등과 같은 다른 액체 유기 재료들 또는 용매들을 포함하는), 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 이들 액체 캐리어 구성요소들은 계면 활성제, 완충제 등과 같은 다른 임의의 재료들을 포함할 수 있다. 수성 캐리어 구성요소는 본질적으로 물로 이루어질 수 있는데, 즉 실질적으로 다른 임의의 재료들은 없지만 더 전형적으로는 상용성(compatible) 유기 용매, 계면 활성제 등과 같은 다른 임의의 재료들을 포함한다. 수성 캐리어 구성요소들에 사용하기에 적합한 계면 활성제들은 비이온성(nonionic) 계면 활성제, 음이온성 계면 활성제, 양이온성 계면 활성제, 양쪽성 계면 활성제, 쌍성 이온성 계면 활성제 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
슬러리는 슬러리의 원하는 유동학적 특성, 코팅 두께, 또는 열 장벽 코팅에서 알루미늄계 입자들의 원하는 로딩에 따라 다양한 비율의 알루미늄계 입자들 및 무기 바인더로 적재될 수 있다. 일부 실시예들에서, 슬러리에서의 액체 캐리어 용매의 양은 약 10부피 백분율과 약 50부피 백분율 사이의 범위, 약 20부피 백분율과 약 40부피 백분율 사이의 범위, 약 25부피 백분율과 약 30부피 백분율 사이의 범위, 또는 임의의 조합, 하위-조합, 범위, 또는 그것들의 하위-범위에 있는 양에 있다. 일부 실시예들에서, 슬러리에서의 무기 바인더에 대한 알루미늄계 입자들의 부피비는 약 0.5와 약 1.2 사이의 범위, 약 0.5와 약 1 사이의 범위, 약 0.67과 약 1 사이의 범위, 또는 임의의 조합, 하위-조합, 범위, 또는 그것들의 하위-범위에 있는 양이다. 슬러리는 또한 착색제 또는 안료, 점도 조절제 또는 제어제 등과 같은 다른 임의의 구성요소들을 포함할 수 있다.
다시 도 6과 도 7을 참조하면, 본 개시물의 실시예들에 따른 방법(1000)은 슬러리를 기판(110)의 표면(101)의 적어도 일부와 접촉시키는 단계(1001)를 포함한다. 일부 실시예들은 슬러리를 기판(110)의 실질적으로 모든 표면(101)과 접촉시키는 단계(1001)를 포함한다. 슬러리는 관련 분야에 알려진 다양한 기술들에 의해 기판과 접촉할 수 있다. 일부 실시예들에서, 슬러리들은 예를 들어 기판 표면 상에 슬립-캐스트(slip-cast), 브러시-페인팅(brush-painting), 담그기, 분무, 부어지는 것, 롤링(rolled) 또는 스펀-코팅(spun-coated)될 수 있다. 특정 실시예들에서, 슬러리는 기판의 표면 상에 분무-코팅된다. 사용되는 액체 캐리어의 양을 변화시킴으로써 코팅의 점도를 분무를 위해 바로 조절할 수 있다.
슬러니는 단일 층 또는 다수의 층들로서 적용될 수 있다. 그러므로 일부 실시예들에서, 단계(1001)는 바라는 두께의 슬러리 코팅(121)이 이루어질 때까지 여러번 실행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 슬러리 코팅(121)은 약 50미크론과 약 3000미크론 사이의 범위에 있는 두께를 가진다. 일부 실시예들에서는 슬러리 코팅이 약 25미크론과 약 1500미크론 사이의 범위에 있는 두께를 가진다. 일부 실시예들에서는 슬러리 코팅이 약 25미크론과 약 1000미크론 사이의 범위에 있는 두께를 갖는다.
다시 도 6과 도 7을 참조하면, 이러한 방법은 단계(1002)에서 슬러리 코팅(121)을 경화하고 열 장벽 코팅(120)을 형성하기에 충분한 조건 하에서 슬리러 코팅(121)을 열 처리하는 단계를 더 포함한다. 앞서 주목된 것처럼, 형성된 열 장벽 코팅(120)은 그러한 열 장벽 코팅이 전기적으로 그리고 열적으로 절연되도록 열 장벽 코팅에서 바인더를 통해 서로로부터 실질적으로 이격되는 알루미늄계 입자들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 슬러리의 기판 표면으로의 초기 적용 후 슬러리 코팅은 임의의 휘발성 물질을 실질적으로 제거하기 위해 건조될 수 있다. 슬러리 코팅의 전체 두께가 적용된 후, 추가적인 용매들(사용되는 경우)과 같은 휘발성 재료들과 물을 추가로 제거하기 위해 추가적인 임의의 열처리(건조 단계)가 수행될 수 있다. 건조를 위한 열 처리 조건은 슬러리에서의 휘발성 구성요소들의 동일성(identity)에 부분적으로 의존할 것이다. 일부 실시예들에서, 이러한 건조 단계를 예를 들면 기간(예컨대, 15분 초과) 동안 그리고 온도(예컨대, 약 70℃ 내지 약 100℃)에서의 공기 건조를 포함할 수 있다. 만약 일련의 층들이 사용되면 각각의 층이 퇴적된 후 휘발성 구성요소들의 제거를 가속화하기 위해 건조 단계가 수행될 수 있다.
건조 후, 슬러리 코팅(121)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 단계 (1002)에서 열 장벽 코팅을 형성하기 위해 적합한 열처리 조건을 사용하여 경화될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "경화(curing)"라는 용어는 슬러리 코팅으로 하여금 열 장벽 코팅을 형성하게 하는 임의의 처리 조건 또는 처리 조건들의 조합을 지칭한다. 앞서 논의된 바와 같이 특정 실시예들에서, 슬러리 코팅은 알루미늄계 입자들로부터의 알루미늄을 기판의 표면 영역으로 확산하기에 충분한 온도보다 낮은 온도로 열처리된다. 일부 실시예들에서, 슬러리 코팅은 300℃ 미만의 온도, 250℃ 미만의 온도, 약 150℃와 약 250℃ 사이의 범위에 있는 온도에서, 약 170℃와 약 200℃ 사이의 범위에 있는 온도에서, 또는 임의의 조합, 하위-조합, 범위, 또는 그것들의 하위-범위의 온도에서 열처리된다.
2개 이상의 접촉 단계(1001)가 활용된다면, 각각의 접촉 단계(1001) 후 건조 및/또는 경화가 행해질 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 방법은 열 장벽 코팅을 형성하기 위해 경화된 슬러리 코팅을 버니싱(burnishing) 단계를 거치게 하는 것을 더 포함할 수 있다.
열 장벽 코팅은 오프-사이트(off-site) 또는 온-사이트(on-site)로, 사용중인 구성요소로, 새로운 구성요소로 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 사용중인 구성요소는 이전에 제조 및/또는 작동시 놓인 구성요소를 지칭한다. 만약 필요하거나 원한다면, (예를 들면 수리 방법에서처럼), 물품(예컨대, 디젤 엔진 구성요소)이 예를 들어 엔진 구성요소의 손상을 제거하거나 표면을 매끄럽게 하기 위해 슬러리의 적용 전에 기계적으로 가공될 수 있다.
임의의 이론에 구속되지 않고, 본 개시물의 열 장벽 코팅은 세라믹 열 장벽 코팅들에 대한 대안으로서 필요한 열 장벽 특성들을 비용 효과적인 방식으로 제공 할 수 있는 것으로 여겨진다. 특히, 본 개시물의 발명자들은 무기 바인더에 알루미늄계 입자들을 포함하는 열 장벽 코팅들이 비용 효율적인 방식으로 피스톤들과 같은 자동차 구성요소들에 대해 원하는 열 장벽 코팅 특성들을 제공한다는 것을 발견 하였다.
예들
내연 기관을 알루미늄 입자들 및 크롬산염-인산염 바인더를 포함하는 슬러리 조성물로 코팅하였다. 피스톤들의 부분들은 순차적인 표면 마련, 스프레이 코팅 및 버니싱 단계를 거쳐 약 150±15미크론의 두께를 갖는 열 장벽 코팅을 형성하였다. 코팅들의 기계적 특성(예컨대, 경도), 열전도도, 열팽창 계수, 내구성(예컨대, 파쇄) 및 미세 구조를 평가했다. 열 장벽 코팅은 기판과의 원하는 열 전도성 및 열 팽창 계수 일치를 나타냈다. 또한, 표준 엔진 시험 절차 후 열 장벽 코팅은 파쇄가 없거나 최소이며, 우수한 경도 값을 나타냈다. 미세 구조의 광학 현미경 사진(도 8에 도시됨)은 바인더(140) 매트릭스에 분산된 별개의 복수의 알루미늄 미립자 영역들(알루미늄계 입자들(130))을 보여 주었다.
전술한 예는 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 특징 중 일부만을 예시하는 역할을 한다. 첨부된 청구항들은 본 발명이 생각된 바와 같이 광범위하게 주장되도록 의도되며, 본 명세서에 제시된 예는 모든 가능한 실시예의 매니폴드로부터 선택된 실시예를 예시한다. 따라서, 첨부된 청구항들은 본 발명의 특징을 설명하기 위해 사용된 예의 선택에 의해 제한되지 않아야 한다는 것이 본 출원인의 의도이다. 청구항들에 사용된 바와 같이, 단어 "포함하다" 및 그 문법적 변형은 또한 논리적으로 세분화되고, 예를 들어 "본질적으로 구성되는" 및 "구성되는"과 같이 다양하고 상이한 정도의 문구를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 필요한 경우 범위들이 공급되었고, 이들 범위는 그 사이의 모든 하위 범위들을 포함한다. 이들 범위들에서의 변화들은 그것들 자체를 당업자에게 제안할 것이며, 이미 대중에게 제공되지 않은 경우, 이러한 변형들은 가능한 경우 첨부된 청구항들에 의해 포함되는 것으로 해석되어야 함이 예상될 것이다. 과학 기술의 진보는 언어의 부정확성으로 인해 현재 고려되지 않은 동등물과 대체물을 가능하게 할 것으로 예상되며, 이들 변형들은 또한 첨부된 청구 범위에 의해 커버될 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (21)

  1. 물품(article)에 있어서:
    기판; 및
    상기 기판 상에 배치되는 열 장벽 코팅(thermal barrier coating)을 포함하고, 상기 열 장벽 코팅은 무기 바인더(inorganic binder)에서 분산되는 복수의 알루미늄계 입자들(aluminum-based particles)을 포함하고, 상기 열 장벽 코팅이 실질적으로 전기적으로 그리고 열적으로 절연되도록 상기 알루미늄계 입자들은 상기 무기 바인더를 통해 실질적으로 서로로부터 이격되고,
    상기 복수의 알루미늄계 입자들은 코어-쉘 구조(core-shell structure)를 포함하고 ,
    상기 코어-쉘 구조의 코어는 알루미늄 금속을 포함하며, 상기 코어-쉘 구조의 쉘은 상기 무기 바인더와 알루미늄과 알루미나 중 하나 또는 둘 다의 복합체(complex)를 포함하는, 물품.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 열 장벽 코팅에서의 상기 복수의 알루미늄계 입자들의 평균 입자 크기(average particle size)는 0.5미크론과 30미크론 사이의 범위에 있는, 물품.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 열 장벽 코팅에서의 상기 무기 바인더의 평균 입자 크기는 0.5미크론과 5미크론 사이의 범위에 있는, 물품.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 알루미늄계 입자들은 20부피 백분율(volume percent)과 70부피 백분율 사이의 범위에 있는 양으로 상기 열 장벽 코팅에 존재하고, 상기 무기 바인더는 30부피 백분율과 80부피 백분율 사이의 범위에 있는 양으로 상기 열 장벽 코팅에 존재하는, 물품.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 알루미늄계 입자들은 알루미늄 금속, 알루미나(alumina), 알루미늄 합금, 또는 이들의 조합을 포함하는, 물품.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 무기 바인더는 크롬산염(chromate), 인산염(phosphate), 몰리브덴산염(molybdate), 바나듐산염(vanadate), 텅스텐산염(tungstate), 또는 이들의 조합을 포함하는, 물품.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 무기 바인더는 실질적으로 6가 크롬(hexavalent chromium)이 없는, 물품.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 물품은 자동차 구성요소(automotive component), 기관차 구성요소,(locomotive component), 선박 구성요소(marine component), 또는 의료 구성요소(medical component)를 포함하는, 물품.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 물품은 디젤 엔진 구성요소를 포함하는, 물품.
  10. 자동차 구성요소를 포함하는 물품에 있어서:
    상기 자동차 구성요소는:
    기판; 및
    상기 기판에 배치되는 열 장벽 코팅을 포함하고, 상기 열 장벽 코팅은 무기 바인더에서 분산되는 복수의 알루미늄계 입자들을 포함하고, 상기 복수의 알루미늄계 입자들은 코어-쉘 구조를 포함하고, 상기 코어-쉘 구조의 코어는 알루미늄 금속을 포함하고 상기 코어-쉘 구조의 쉘은 상기 무기 바인더와 알루미늄과 알루미나 중 하나 또는 둘 다의 복합체를 포함하는, 자동차 구성요소를 포함하는 물품.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 기판은 알루미늄, 철, 또는 이들의 조합을 포함하는, 자동차 구성요소를 포함하는 물품.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 자동차 구성요소는 피스톤, 밸브, 실린더 헤드, 배기관, 터보 하우징, 촉매 용기(catalyst container), 배기 매니폴드(exhaust manifold), 또는 이들의 조합을 포함하는, 자동차 구성요소를 포함하는 물품.
  13. 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법에 있어서,
    (ⅰ) 슬러리 코팅을 형성하기 위해 복수의 알루미늄계 입자들과 무기 바인더를 상기 기판의 표면과 접촉시키는 단계; 및
    (ⅱ) 상기 슬러리 코팅을 경화시키고 상기 열 장벽 코팅을 형성하기에 충분한 조건 하에서 상기 슬러리 코팅을 열 처리하는 단계로서, 상기 열 장벽 코팅이 실질적으로 전기적으로 그리고 열적으로 절연이 되도록 상기 열 장벽 코팅에서 상기 무기 바인더를 통해 상기 알루미늄계 입자들은 실질적으로 서로로부터 이격되는, 상기 열 처리하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 알루미늄계 입자들은 코어-쉘 구조(core-shell structure)를 포함하고 ,
    상기 코어-쉘 구조의 코어는 알루미늄 금속을 포함하며, 상기 코어-쉘 구조의 쉘은 상기 무기 바인더와 알루미늄과 알루미나 중 하나 또는 둘 다의 복합체(complex)를 포함하는, 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 슬러리에서 상기 무기 바인더에 대한 상기 알루미늄계 입자들의 부피비는 0.67과 1 사이의 범위에 있는, 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 슬러리 코팅은 상기 복수의 알루미늄계 입자들로부터 알루미늄을 상기 기판의 표면 영역 내로 확산시키기에 충분한 온도보다 낮은 온도로 열처리되는, 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 슬러리 코팅은 300℃ 미만인 온도에서 열처리되는, 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법.
  17. 제13 항에 있어서,
    상기 복수의 알루미늄계 입자들은 알루미늄 금속, 알루미나, 알루미늄 함금, 또는 이들의 조합을 포함하는, 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법.
  18. 제13 항에 있어서,
    상기 무기 바인더는 크롬산염, 인산염, 몰리브덴산염, 바나듐산염, 텅스텐산염, 또는 이들의 조합을 포함하는, 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법.
  19. 제13 항에 있어서,
    상기 무기 바인더는 실질적으로 6가 크롬(hexavalent chromium)이 없는, 기판 상에 열 장벽 코팅을 형성하는 방법.
  20. 삭제
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