KR20210058899A - 감소된 경화 온도를 갖는 크롬-무함유 규산염계 세라믹 조성물 - Google Patents

감소된 경화 온도를 갖는 크롬-무함유 규산염계 세라믹 조성물 Download PDF

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이리나 벨로브
다릴 코펠랜드
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프랙스에어 에스.티. 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

소정의 크롬-무함유 규산염계 결합제(silicate-based binder)를 기반으로 하는 조성물이 기재된다. 상기 조성물은 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말, 아연 분말 또는 이들의 조합과 조합된 리튬-도핑된 규산칼륨의 수용액이다. 본 발명의 코팅은 나노-크기 세리아의 콜로이드성 용액을 포함시킴으로써 350 내지 450℉ 정도로 낮은 온도에서 완전 경화를 달성할 수 있으며, 이에 따라 상기 코팅은 온도 민감성 베이스 재료 상에 적용하기에 특히 적합하게 된다.

Description

감소된 경화 온도를 갖는 크롬-무함유 규산염계 세라믹 조성물
본 발명은 신규한 크롬-무함유 규산염계 슬러리 제형, 및 월등한 내부식성 및 내열성을 나타내고 전통적인 크롬산염-함유 코팅을 대체할 수 있는 신규한 보호 코팅의 생성에 적합한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 코팅은 350 내지 450℉ 정도로 낮은 온도에서 완전 경화를 달성할 수 있으며, 이에 따라 본 코팅은 초고강도 강, 티타늄 및 알루미늄 합금과 같은 온도 민감성 베이스 재료 상에 적용하기에 특히 적합하다.
크롬계 알루미늄-세라믹 코팅 조성물은 잘 알려져 있으며, 고도로 내부식성이고 내열성인 코팅을 형성하기 위한 산업 표준으로서 수십년간 간주되어 왔다. Allen의 미국 특허 제3,248,251호("Allen 특허")는 40년 전에 허여된 것으로, 알루미늄-세라믹 크롬계 코팅이 접착력 및 가요성을 보유하면서 내부식성, 내열성 및 내마모성을 나타낼 수 있다는 것을 인식하고 기재한다. 그러한 속성은 계속해서 알루미늄-세라믹 코팅이 다양한 응용에서 널리 사용되어 오게 하였다. 오늘날, 이들 코팅은 고온 및 부식성 환경에 노출되는 다양한 항공기 엔진, 랜딩 기어 및 다른 구성요소의 보호를 위해 항공기 산업에서 OEM(original equipment manufacturer, 주문자 상표부착 생산자)에 의해 이용된다. DoD(Department of Defense, 미국 국방부) 병참 시설이 또한 결정적으로 필요한 물품을 위한 그들의 제조의 일부로서 알루미늄-세라믹 코팅을 사용한다. 추가적으로, 산업용 발전(power generation), 자동차 및 다양한 다른 산업은 고성능 보호 코팅으로서 알루미늄-세라믹 코팅을 일상적으로 사용한다.
통상적인 알루미늄-세라믹 코팅은 금속성 알루미늄 분말로 충전된 크롬산염-인산염 결합제로 이루어진다. 경화 시에, 결합제는 알루미늄 분말 입자가 매설된 매트릭스를 형성한다. 상기 매트릭스는 코팅에 기계적 완전성을 제공하며, 한편 크롬산염 부동태화된 알루미늄 안료 네트워크는 효율적인 부식 보호를 부여한다. Al-충전된 코팅을 건조 그릿(grit) 또는 유리 비드-블라스팅에 의해 버니싱(burnishing)함으로써 코팅을 압축하여, 그것이 모든 강에 대해 전도성, 갈바니 활성(galvanically active) 및 희생(즉, 캐소드적으로 보호)이 되게 한다. SermeTel W®는 일반적으로 이들 유형의 코팅에 대한 성능 표준으로서 산업계에 인식되어 있다. 특정 응용 및 사용 조건에 따라, 상기 코팅은 단독으로 사용되어 적절한 부식 보호를 제공할 수 있다. 대안적으로, 상기 코팅은 오버레이 시스템의 일부로서 이용되어, 상부 코팅 및/또는 실러(sealer)로 밀봉되는 베이스코트(basecoat)로서의 역할을 할 수 있다.
알루미늄-세라믹 코팅의 최적 성능을 달성하기 위하여, 500 F 이상, 바람직하게는 600 F 내지 650 F의 온도에서 코팅을 경화시킬 것이 권장된다. 완전히 경화되지 않은 코팅은 기능적 성능에 있어서 결함을 나타내는 경향이 있는데, 이러한 결함에는, 예를 들어 기재(substrate)에 대한 대체로 만족스럽지 않은 접착력 및 대체로 만족스럽지 않은 층간 접착력, 감소된 내부식성, 습하고 부식성인 환경에서의 코팅 블리스터링 등이 있다.
그러나 일부 경우에는, 이용되는 기재의 재료의 유형 및/또는 화학적 성질에 의해 주로 부과되는 온도 가공 한계가 있는데, 이것은 코팅이 비교적 더 높은 경화 온도에서 완전 경화되는 것을 방해하여 적용가능한 기준을 만족시킬 수 있는 코팅을 형성하지 못하게 한다. 예에는 SermeTel® 코팅에 필요한 통상의 경화 온도에 노출될 수 없는 재료로 구성된 구성요소가 포함된다. 다양한 응용에서 많은 고강도 강, 티타늄 합금 및 열처리된 알루미늄 합금에 대해, 그러한 온도-민감성 베이스 재료의 기계적 특성을 보존하고 기능적 특성의 손상 및 열화를 피하기 위해 더 낮은 경화 온도가 요구된다.
초고강도 마르텐사이트계(martensitic) 강은, 의도된 부품 사용 조건에 대해 최적인 기계적 특성들에 요구되는 조합을 달성하기 위해 주로 이들 강에 사용되는 템퍼링 방식(tempering regime)에 의해, 강 열처리 공정에 의해 부과되는 경화 온도 제한을 갖는 것으로 잘 알려져 있다. 템퍼링은 합금의 경도를 감소시킴으로써 더 큰 인성(toughness)을 달성하기 위해 철 합금에 적용되는 열처리 기법이다. 경도의 감소는 통상 연성(ductility)의 증가를 수반하여, 금속의 취성을 감소시킨다. 이들 합금의 경우, 더 낮은 템퍼링 온도는 더 경질이고 더 높은 인장 강도 부품을 생성하겠지만; 이는 연성, 충격 강도를 감소시키고, 사용 온도 제한을 야기하고, 아마도 또한 피로 수명을 낮추게 될 것이다.
초고강도 저합금 강의 최적의 인장, 인성 및 피로 특성을 달성하기 위한 열처리 공정은 845 내지 900℃ 범위의 켄칭(quenching) 및 약 200 내지 300℃ 범위의 템퍼링으로 이루어지는 것으로 알려져 있으며, 이때 정확한 온도는 합금의 화학 조성에 따른다. 특히, 항공기 랜딩 기어, 에어프레임 부품, 및 극한 하중 조건 하에서 사용되는 다른 구성요소에 우선적으로 사용되는 300M 고강도 강의 경우, 약 300℃(즉, 약 570℉)의 템퍼링 온도가 권장되며; 예를 들어, 이러한 합금을 310℃(즉, 590℉)에서 템퍼링하는 것은 55 HRC의 공칭 록웰 경도(Rockwell Hardness)를 제공한다(문헌["Ultrahigh strength steels for aerospace applications" by W.M. Garrison, JOM, v.42, 1990, pp. 20-25]에 기재된 바와 같이, 그리고 문헌["Influence of tempering temperature on mechanical properties of ultra-high strength low-alloy steels" by J. Hornikova et. al. at www.phase-trans.msm.cam.ac.uk, 2005]에 기재된 바와 같음).
그러나, 그러한 기재 재료에 사용되는 템퍼링 온도는 합금의 열 노출 허용오차에 대해 엄격한 제한을 둔다: 템퍼링을 통해 달성되는 최적의 기계적 특성을 보존하기 위해, 템퍼링 온도는 초과될 수 없다. 따라서, 300M으로 제조된 구성요소 상에의 보호 코팅의 적용 및 경화와 같은 임의의 추가의 가공은 안전하게 300 내지 310℃(즉, 570 내지 590℉) 미만의 온도에서 수행되어야 한다. OEM 사양은 300M 구성요소 상에 적용되는 SermeTel® 코팅을 275 내지 288℃(즉, 525 내지 550℉)에서 경화시킬 것을 필요로 한다. 다른 초고강도 강의 경우, 템퍼링 온도는 200 내지 240℃(즉, 390 내지 460℉) 정도로 낮을 수 있으며, 이에 따라 열 노출 허용오차를 약 350 내지 450℉로 제한할 수 있다.
알루미늄 합금 구성요소는 베이스 재료의 온도 허용오차에 의해 부과되는 경화 온도 제한의 다른 경우를 나타낸다. (예를 들어, 제트 엔진용 나셀(nacelle)의 립스킨(lipskin), 날개 및 꼬리의 선두 에지(leading edge) 등과 같은) 항공기 부품에 사용되는 항공우주 알루미늄 합금은 일반적으로 구리를 함유하는데, 이는 열처리될 때 강도를 제공한다. 그러나, 내열성인 것으로 여겨지는 알루미늄-구리 합금인 AA2219조차도 232℃(즉, 450℉)보다 높은 온도에서는 강도를 상실하고 변형될 것이다. 따라서, 그러한 알루미늄-구리 합금으로 제조된 항공기 부품의 환경 보호를 위해 적용되는 임의의 코팅 시스템은 450℉ 미만에서 완전 경화를 거칠 수 있어야 한다.
크롬산염-인산염계 Al-함유 코팅 슬러리에 대한 소정의 화학 첨가제 화합물의 첨가는 이들 슬러리로부터 유도된 보호 코팅의 완전 경화를 달성할 수 있는 더 낮은 경화 온도를 가져오는 것으로 당업계에 알려져 있다. 이러한 목적을 위하여 다양한 첨가제 화합물을 사용하는 것을 기재하는 몇몇 특허가 있는데, 이들 중 일부는 일찍이 1966년에 인가되었다.
Collins, Jr.의 미국 특허 제3,248,249호는 상기 언급된 Allen 특허에 기재된 크롬산염-인산염계 코팅 조성물의 경화 온도가 0.1 마이크로미터 또는 더 미세한 입자 크기를 갖는 고체 미립자 물질, 예컨대 콜로이드성 실리카 또는 콜로이드성 알루미나 입자를 첨가함으로써 250 내지 500℉만큼 감소될 수 있음을 개시한다.
Collins, Jr.의 다른 미국 특허 제3,248,250호는 크롬산염-인산염계 코팅 조성물의 경화 온도가 알칼리 금속 규산염을 이러한 조성물에 첨가함으로써 낮아질 수 있음을 개시한다.
미국 특허 제4,319,924호에서 Collins, Jr. 및 Klotz, J.M.에 의해 기재되고 청구된 바와 같이, 용해된 인산염, 용해된 이크롬산염, 용해된 알루미늄 및 무기 고체 미립자 물질을 함유하는 산성 수성 코팅 슬러리 조성물 중에의 다이에탄올아민의 첨가는 그의 수성 코팅 조성물을 약 180℉ 내지 약 225℉ 범위 이내의 온도에서 수불용성 코팅으로 열경화될 수 있게 하고; 경화된 코팅은 강에 대한 허용가능한 접착력 및 허용가능한 내부식성 특성을 나타낸다.
또한, Lowe, J.C. et al.의 미국 특허 제4,381,323호는 크롬산염-인산염계 알루미늄 세라믹 슬러리 코팅을 위한 경화 온도 감소 성분으로서 다이에탄올아민을 사용하는 것을 기재한다.
시판 SermeTel ®984/985 코팅 시스템이 개발되었으며, SermeTel® 코팅을 위한 통상의 경화 온도에 노출될 수 없는 재료로 구성된 구성요소들에 대한 갈바닉의 희생적인 부식 보호를 제공하기 위하여 몇몇 OEM에 의해 사용되어 왔다. 이 시스템 내의 베이스 코트 층은 또한 4차 수산화암모늄 부류로부터의 경화 촉진제를 사용하는 크롬산염-인산염계 알루미늄 세라믹 조성물이며; 상기 경화 촉진제는 최소 335℉(168℃)로의 완전 경화 온도의 감소를 제공한다. 이러한 부식-보호 코팅 시스템은 다양한 응용에서 많은 고강도 강, 티타늄 및 열처리된 알루미늄 합금에 대해 비교적 오랜 시간 동안 당업계에서 성공적으로 사용되어 왔다.
ShorCoat™ 코팅 시스템은 감소된 경화 온도를 갖는 SermeTel® 알루미늄 서멧 베이스코트를 사용하는 다른 구매가능한 내부식성 및 내침식성 코팅이며; 상기 베이스코트는 알루미늄-실리콘 페인트 탑코트와 조합하여 사용된다. 이러한 코팅 시스템은 부식성, 침식성 및 항공기 디-아이싱(de-icing) 조건(즉, 순환열(cyclic heat))에서 작동하는 알루미늄 합금 립스킨 및 다른 나셀 구성요소를 보호하기 위해 개발되었다. 상응하는 Mosser M.F., et.al.의 미국 특허 제6,171,704호는 이러한 코팅 시스템을 개시한다.
감소된 경화 온도를 갖는 알루미늄-세라믹 코팅을 사용하는 모든 개발 노력 및 오래된 역사에도 불구하고, 이러한 코팅의 주요 단점은 코팅 슬러리가 6가 크롬 Cr(VI)을 함유한다는 것이다. 6가 크롬 Cr(VI)은 환경적으로 위험한 관심 물질로 확인되었다. 결과적으로, 그것은 EU REACH 규제의 최근의 변경뿐만 아니라 DoD, Air Force 및 다양한 OEM의 각각의 정책에 따라 제거를 목표로 해왔다.
6가 크롬 Cr(VI)이 환경적으로 위험한 물질로서 확인됨에 따라, 다양한 Cr-무함유 코팅이 잠재적인 대체 코팅으로서 연구되어 왔다. 그러나, Cr(VI)-무함유 대체물의 개발은 500 F 초과, 바람직하게는 600 내지 650 F의 경화 온도를 갖는 알루미늄-세라믹 코팅에 주로 집중되어 왔다.
예를 들어, Mosser et al.의 미국 특허 제7,993,438호에 개시된 하나의 대안적인 Cr-무함유 코팅은 인산염계 결합제 조성물을 갖는 알루미늄 세라믹 베이스코트 층이다. 이러한 코팅은 Cr(VI)-무함유 탑 코팅과 함께 사용될 때, SermeTel W® 베이스코트를 갖는 벤치마크 코팅 시스템에 비견되는 적용 특성(예를 들어, 두께, 조도(roughness), 갈바닉 활성) 및 성능(예를 들어, 염수 분무 부식 저항성(salt spray corrosion resistance), 고온 열 산화 저항성, 내침식성, 기계적 특성)을 제공한다. 그러나, 독립형 베이스코트로서 사용될 때, 이들 코팅은 ASTM B117에 따른 염수 분무 시험에서 최대 1000시간의 시험에 처해질 때 필드 및 스크라이브(scribe)에서 붉은 녹(red rust)을 발생시킨다. 이러한 접근법의 다른 결점은 알루미늄 금속에 대해 부동태화 효과를 갖는 Cr(VI) 종의 부재 하에서의 수계 슬러리 내의 알루미늄 입자와 인산염 결합제의 상당한 상호작용으로부터 기인한다. 이러한 불리한 상호작용의 결과로서, 베이스코트 슬러리는 모든 구성성분들이 함께 단일 제형으로 혼합될 수 있는 "1-파트(one-part)" 조성물로서 유지될 수 없다. 오히려, 슬러리는 저장 시에 2-파트 슬러리로서 유지되어야 하며, 여기서는 사용 시점까지 알루미늄 분말이 수성 결합제와 별도로 유지되는데, 이때 사용 시점은 결합제와 Al이 혼합될 수 있는 시기이다. 그러나, 혼합된 슬러리의 가사 수명(pot life)은 단지 약 8 내지 20시간에 불과하며, 이 시간을 넘어서면 혼합물의 급속한 열화가 관찰되고, Al 입자의 집괴화(agglomeration)의 조짐이 나타나며, 이는 입자 크기의 상당한 증가로 이어지게 된다. 따라서, 알루미늄 입자와 인산염 결합제의 불리한 상호작용을 피하기 위하여, 미국 특허 제7,993,438호에 개시된 슬러리는 바람직하지 않게도, 코팅 적용 직전에 함께 혼합되고 단기간에 사용되도록 의도된 2-파트 조성물을 유지해야 한다. 이들 제한은 생산 유형 환경에서 상당히 불리한 점이다.
다른 대안으로서, 규산염계 결합제를 갖는 알루미늄 세라믹 코팅이 고려되어 왔다. Cr-무함유 규산염계 결합제의 한 가지 유형이 Klotz et al.의 미국 특허 출원 공개 제2006/0166014호에 전반적으로 기재되어 있다. 그러나, 베이스코트 성능은 층 두께에 의존하는데, 적어도 2 밀(mil)로의 증가된 코팅 두께가 충분한 내부식성 특성을 위해 요구된다.
내부식성 및 내열성을 포함한 유리한 기계적 및 기능적 특성을 제공할 수 있는 개선된 1-파트 Cr-무함유 코팅에 대한 필요성이 Belov, I. et.al.의 미국 특허 제9,017,464호; 제9,322,101호; 및 제9,394,448호("Belov 특허")에 개시된 발명에 의해 성공적으로 대처되어 왔으며, 이들 각각은 각자 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. Belov 특허 각각에 개시된 발명들은, 부분적으로, 항공우주 응용 - 그러나 이로 한정되지 않음 - 에 특히 유리한 월등한 기능적 특성을 갖는 코팅을 생성하는 데 사용되는 슬러리 제형에 관한 것이다.
Belov 특허에서 개시된 슬러리 제형은 알루미늄 분말과 조합하여 크롬-무함유, 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제를 사용한다. 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말과 결합제는 1-파트 조성물로서 함유되는데, 여기서는 모든 구성성분들이 미리 결정된 중량비로 단일 제형으로 예비혼합된다. 1-파트 조성물은 종래 기술의 대안물과 대비하여 비교적 오랜 보관 수명(shelf-life)을 나타내기에 충분히 안정하게 유지된다. Belov 특허에 개시된 공정에 따라 기재에 적용될 때, 슬러리는 연속적이고 치밀하며 결함이 없는 세라믹 코팅 층을 생성하며, 이때 생성된 조성물은 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제에 의해 형성된 Cr(VI)-무함유 세라믹 매트릭스 및 매트릭스 내에 매설된 복수의 알루미늄 입자를 포함한다. 상기 세라믹 코팅은 개선된 기능적 특성을 나타내며, 특히, 접착력 및 가요성을 보유하면서 부식 및 열 노출에 대한 저항성을 나타낸다.
그러나, 미국 특허 제9,322,101호에 기재된 바와 같이, Belov 특허에 개시된 코팅을 기재 상에 적용하기 위한 방법은 500℉ 초과, 바람직하게는 600 내지 650℉의 경화 온도를 이용하는 단계를 포함하는데, 이러한 경화 온도는 상기 언급된 슬러리로부터 완전 경화된 Cr(VI)-무함유 코팅을 생성하기 위해 사용되어야 한다. 이들 코팅이 감소된 온도에서 경화될 때, 하기에 더 상세히 보여주는 바와 같이, 불완전한 경화 공정이 염수 분무 시험 등에 대한 비교적 짧은 노출 하에서조차도 고습, 블리스터링 및 탈층에 대한 불충분한 저항성과 같은 코팅의 열등한 접착 특성 및 기능적 특성을 초래한다는 것이 출원인들에 의해 관찰되었다.
따라서, Cr계 결합제를 갖는 알루미늄-세라믹 코팅의 특성과 적어도 동일한 특성을 나타낼 수 있지만 500℉ 미만의 온도에서 완전 경화될 수 있는 Cr-무함유 고성능 코팅에 대한 필요성이 남아 있다.
본 발명은, 부분적으로, 특별한 특성을 갖는 코팅을 생성하는 데 사용되는 슬러리 제형에 관한 것이다. 본 발명의 코팅은 규산염계 결합제로부터 유도된 6가 크롬-무함유 알루미늄-세라믹 매트릭스 복합재이며, 500℉ 미만의 온도에서 완전 경화를 달성할 수 있어서, 열 노출 온도에 대해 제한을 갖는 재료로 제조된 항공우주 부품에 특히 유리한 코팅된 제품을 생성하게 된다.
경화 촉매로서 콜로이드성 용액 형태의 나노-크기 산화세륨의 첨가를 이용함으로써 슬러리로부터 유도된 세라믹 코팅을 완전 경화시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 상기 슬러리는 500℉ 미만의 감소된 온도에서 알루미늄 분말과 조합된 크롬-무함유 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제를 포함하고; 본 발명의 슬러리 조성물은 350 내지 450℉에서 경화될 때 개선된 기능적 특성을 나타내는, 특히 접착력 및 가요성을 보유하면서 부식 및 고습에 대한 저항성을 나타내는 세라믹 코팅을 생성한다. 코팅 층은 연속적이고, 치밀하고, 결함이 없다.
제1 태양에서, 기재 상에 코팅을 생성하기 위한 수성 슬러리 조성물로서, 상기 수성 슬러리 조성물은 크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨의 수용액을 포함하는 결합제; 상기 결합제 내로 혼입된 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말; 및 나노-크기 산화세륨 콜로이드성 용액을 포함하는 경화 촉매를 포함한다.
제2 태양에서, 기재 상에 코팅을 생성하기 위한 수성 슬러리 조성물로서, 상기 수성 슬러리 조성물은 크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨의 수용액을 포함하는 결합제; 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말과 조합된 아연 분말; 및 나노-크기 산화세륨 콜로이드성 용액을 포함하는 경화 촉매 촉진제를 포함한다.
제3 태양에서, 기재를 위한 코팅 조성물로서, 상기 코팅 조성물은 크롬을 함유하지 않는 세라믹 매트릭스 - 상기 매트릭스는 규산염 결합제에 의해 형성되며, 상기 규산염 결합제는 리튬으로 도핑된 규산칼륨임 -; 상기 매트릭스 내에 매설된 복수의 알루미늄-함유 입자; 및 세륨-함유 상으로서 상기 세라믹 매트릭스 내로 함침된 세륨-함유 화합물을 포함한다.
제4 태양에서, 기재를 위한 코팅 조성물로서, 상기 코팅 조성물은 크롬을 함유하지 않는 세라믹 매트릭스 - 상기 매트릭스는 규산염 결합제에 의해 형성되며, 상기 규산염 결합제는 리튬으로 도핑된 규산칼륨임 -; 상기 매트릭스 내에 매설된 복수의 알루미늄-함유 및 아연-함유 입자; 및 세륨-함유 상으로서 상기 세라믹 매트릭스 내로 함침된 세륨-함유 화합물을 포함한다.
제5 태양에서, 기재 상에 코팅을 적용하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 수성 1-파트 슬러리를 제공하는 단계 - 상기 수성 1-파트 슬러리는 크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제; 및 상기 결합제 대 상기 알루미늄-함유 분말의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입된 알루미늄-함유 분말을 포함함 -; 상기 수성 1-파트 슬러리를 상기 기재의 표면 상에 적용하는 단계; 상기 수성 1-파트 슬러리가 적용된 층을 나노-크기 산화세륨의 콜로이드성 용액으로 처리하여 베이스코트 층을 형성하는 단계; 및 상기 베이스코트 층을 경화시키는 단계를 포함한다.
제6 태양에서, 기재 상에 코팅을 적용하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 수성 1-파트 슬러리를 제공하는 단계 - 상기 수성 1-파트 슬러리는 크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제; 및 상기 결합제 대 상기 알루미늄-함유 분말의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입된 알루미늄-함유 분말; 및 상기 알루미늄-함유 분말 대 상기 아연-함유 분말의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입된 아연-함유 분말을 포함함 -; 상기 수성 1-파트 슬러리를 상기 기재의 표면 상에 적용하는 단계; 상기 수성 1-파트 슬러리가 적용된 층을 나노-크기 산화세륨의 콜로이드성 용액으로 처리하여 베이스코트 층을 형성하는 단계; 및 상기 베이스코트 층을 경화시키는 단계를 포함한다.
제7 태양에서, 기재 상에 코팅을 적용하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 수성 1-파트 슬러리를 제공하는 단계 - 상기 수성 1-파트 슬러리는 크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제; 및 상기 결합제 대 상기 알루미늄-함유 분말의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입된 알루미늄-함유 분말을 포함함 -; 나노-크기 산화세륨의 콜로이드성 용액을 상기 수성 1-파트 슬러리 내로 도입하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물을 상기 기재의 표면 상에 적용하여 베이스코트 층을 형성하는 단계; 및 상기 베이스코트 층을 경화시키는 단계를 포함한다.
본 명세서는 컬러로 제작된 적어도 하나의 사진을 포함한다. 컬러 사진(들)을 갖는 본 특허 또는 특허 공개의 사본은 신청 및 필요한 수수료 납부 시에 특허청에 의해 제공될 것이다.
본 발명의 목적 및 이점은, 전체에 걸쳐 같은 도면 부호가 동일한 특징을 나타내는 첨부 도면과 관련하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태의 하기 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)는 각각 450℉에서 2시간 동안 및 650℉에서 0.5시간 동안 경화된 미국 특허 제9,017,464호에 개시된 코팅 조성물의 염수 분무 성능의 비교를 나타낸다.
도 2의 (a) 내지 도 2의 (d)는, 각각 450℉에서 2시간 동안 경화된, 규산염 경화 촉진제로서 알려진 상이한 경화 촉진제들에 의한 미국 특허 제9,017,464호의 리튬-도핑된 규산칼륨계 결합제에 대한 부정적인 결과를 보여준다.
도 3(a) 및 도 3(b)는, 본 발명에 따른, 450℉/2시간 경화된, 콜로이드성 나노세리아 경화 촉진제가 첨가된 Li-도핑된 규산칼륨 결합제-기반 코팅의 염수 분무 노출에 대하여, 각각 (a) 480시간 및 (b) 1,720시간 후에 관찰된 바와 같이 긍정적인 내부식성 시험 결과를 제시한다.
도 4의 (a)는 산화세륨 경화 촉진제를 사용하지 않고 650℉에서 30분 동안 경화되는 기저선 코팅에 대한 데이터를 제시하고, 이와 비교하여 도 4의 (b)는 산화세륨 경화 촉진제를 포함하고 450℉에서 2시간 동안 경화되는 본 발명의 코팅에 대한 데이터를 나타낸다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 산화세륨 경화 촉진제를 포함하고 450℉에서 2시간 동안 경화되고, 산화알루미늄 그릿(220 메시 크기 등급)으로 버니싱된 후의 본 발명의 코팅 샘플의 각각 500X 및 1000X의 배율에서의 상면 뷰(top view) SEM 이미지를 나타낸다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 산화세륨 경화 촉진제를 포함하고 450℉에서 2시간 동안 경화되고, 산화알루미늄 그릿(220 메시 크기 등급)으로 버니싱되기 (a) 전과 (b) 후의 본 발명의 코팅 샘플의 1000X의 배율에서의 EDS 분석 데이터와 함께, 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 7은 산화세륨 경화 촉진제를 포함하고 450℉에서 2시간 동안 경화되고, 단지 제1 코팅 층만이 산화알루미늄 그릿(220 메시 크기 등급)으로 버니싱된 후의 본 발명의 Li-도핑된 규산칼륨계 코팅의 2000X의 배율에서의 EDS 분석 데이터와 함께, 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 8(a), 도 8(b), 도 8(c) 및 도 8(d)는 나노-크기 이산화티타늄의 콜로이드성 용액 또는 질산세륨의 용액 어느 것도 Li-도핑된 규산칼륨 결합제-기반 코팅의 경화를 촉진시킬 수 없음을 보여주는데, 이는, 450℉에서 경화된 코팅의 결과가 염수 분무 및 비등수에 대한 저항성을 갖지 않기 때문이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 콜로이드성 나노세리아 경화 촉진제의 첨가로 처리되고 450℉에서 2시간 동안 경화된 본 발명의 실시예 1의 Li-도핑된 규산칼륨 결합제-기반 코팅 상에서 수행된 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험의 결과를 보여준다.
도 10(a), 도 10(b), 도 10(c), 도 10(d)는 최대 1720시간 동안 염수 분무 시험에 노출된 본 발명의 실시예 2의 코팅을 나타낸다.
도 11(a), 도 11(b) 및 도 11(c)는 비등수에 대한 노출 후에 본 발명의 실시예 1의 코팅에 대해 수행된 모폴로지, 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험을 각각 보여준다.
도 12(a), 도 12(b) 및 도 12(c)는 비등수에 대한 노출 후에 본 발명의 실시예 2의 코팅에 대해 수행된 모폴로지, 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험을 보여준다.
도 13(a) 및 도 13(b)는 열 노출 시험 후에 본 발명의 실시예 1의 코팅에 대해 수행된 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험의 결과를 나타낸다.
도 14(a) 및 도 14(b)는 열 노출 시험 후에 본 발명의 실시예 2의 코팅에 대해 수행된 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험의 결과를 나타낸다.
도 15(a) 및 도 15(b)는 엔진 연료 B 시험 유체 중에 침지된 후에 본 발명의 실시예 1의 코팅에 대해 수행된 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험의 결과를 나타낸다.
도 16(a) 및 도 16(b)는 엔진 연료 B 시험 유체 중에 침지된 후에 본 발명의 실시예 2의 코팅에 대해 수행된 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험의 결과를 나타낸다.
도 17(a), 도 17(b), 도 17(c), 도 17(d)는 비등수 시험을 수행한 후에 본 발명의 실시예 4의 코팅의 크로스-해치 접착력의 결과를 나타낸다.
도 18(a), 도 18(b), 도 18(c), 도 18(d)는 1100시간의 염수 분무 노출 후에 본 발명의 실시예 4의 코팅의 결과를 나타낸다.
도 19(a), 도 19(b), 도 19(c), 도 19(d), 도 19(e) 및 도 19(f)는 염무(Salt Fog)에 대한 상이한 노출 시간에서의 본 발명의 슬러리 C로부터 생성된 코팅을 나타낸다.
본 발명의 다양한 요소들의 관계 및 기능은 하기 상세한 설명에 의해 더 잘 이해된다. 그러나, 하기에 기재된 바와 같은 본 발명의 실시 형태는 단지 예로서 주어진다.
상세한 설명은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로서 다양한 순열 및 조합의 특징, 태양 및 실시 형태를 고려한다. 따라서, 본 발명은 이들 특정 특징, 태양 및 실시 형태, 또는 이들 중 선택된 하나 또는 복수의 것의 그러한 조합 및 순열 중 임의의 것을 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 이로 본질적으로 이루어진 것으로서 명시될 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐, 본 발명의 다양한 태양이 범위 형식(range format)으로 제시될 수 있다. 범위 형식의 설명은 단지 편의상 그리고 간결함을 위한 것이며, 본 발명의 범주에 대한 제한으로서 간주되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 범위의 설명은 모든 가능한 하위 범위뿐만 아니라 그 범위 내의 개별 수치 값을 구체적으로 개시한 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 1 내지 6과 같은 범위의 설명은 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 4, 2 내지 6, 3 내지 6 등과 같은 구체적으로 개시된 하위 범위뿐만 아니라, 예를 들어, 1, 2, 2.7, 3, 4, 5, 5.3, 6 및 이들 사이의 임의의 전체적인 증분 및 부분적인 증분을 갖는 것으로 간주되어야 한다. 이는 범위의 폭에 관계없이 적용된다.
본 발명의 수성 슬러리 조성물은 다양한 고체 기재 상에 보호 코팅을 적용하는 데 사용될 수 있으며, 이러한 기재에는, 예로서 철 합금, 니켈 합금, 니켈-코발트 합금, 및 다른 금속(예컨대, 알루미늄 합금, 코발트 합금 등) 및 열적으로 안정한 비금속 표면(예컨대, 세라믹)이 포함된다. 금속 기재가 바람직하지만, 어떠한 고체 기재도 상응하는 코팅 가공 온도를 견딜 수 있다면 본 발명의 코팅의 적용에 적합할 수 있다.
본 발명의 일 태양에 따른, 코팅을 생성하기 위한 수성 슬러리 조성물은 규산염 결합제, 및 미리 결정된 중량비로 결합제 내로 혼입된 알루미늄, 알루미늄 합금, 또는 알루미늄 및 아연 분말의 조합을 포함한다. 규산염 결합제는 Cr을 함유하지 않으며, 이에 따라 환경적으로 안전한 재료이다. 규산염 Cr-무함유 결합제는 리튬-도핑된 규산칼륨의 수용액이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "리튬-도핑된 규산칼륨"은 미리 결정된 양의 리튬 이온이 규산염 구조 내의 칼륨 이온뿐만 아니라 경화된 규산염 매트릭스 내의 칼륨 이온을 치환하는 것을 의미한다. 상기 슬러리 조성물은 나노-크기 산화세륨의 콜로이드성 용액과 조합하여 이용된다.
경화 촉매로서 콜로이드성 용액 형태의 나노-크기 산화세륨의 첨가를 이용함으로써 500℉ 미만의 감소된 온도에서 슬러리로부터 유도된 세라믹 코팅을 완전 경화시킬 수 있는 것으로 놀랍게도 본 발명에서 밝혀졌으며; 본 발명의 슬러리 조성물은 350 내지 450℉에서 경화될 때 개선된 기능적 특성을 나타내는 세라믹 코팅을 생성한다. 개선된 기능적 특성은 접착력 및 가요성을 보유하면서 부식 및 고습에 대한 저항성을 포함한다. 코팅 층은 연속적이고, 치밀하고, 결함이 없다.
미국 특허 제9,017,464호 및 제9,322,101호에 개시된 바와 같이, 알루미늄 분말이 내부에 혼입되어 있는 리튬-도핑된 규산칼륨계 결합제를 사용하는 것은 다른 규산염계 결합제와 비교하여 코팅의 기능적 특성(예를 들어, 내부식성, 부식-열 저항성)뿐만 아니라 구조적 및 접착 특성의 개선의 상승적 효과를 제공한다. 그러나, 500℉보다 높은 온도, 바람직하게는 600 내지 650℉가 완전 경화된 Cr(VI)-무함유 코팅을 생성하는 데 사용될 것이 요구된다: 도 1은 ASTM B117 시험(이하, "염수 분무"로 지칭됨)에 따른 염수 분무 노출 하에서의 이들 코팅의 비교를 나타내며; 도 1에 나타낸 코팅의 조성은 상기 언급된 Belov 특허의 바람직한 실시 형태에 따랐다. 650℉에서 경화된 코팅은 1,000시간 초과의 부식성이고 습한 시험 환경을 견딜 수 있지만, 450℉에서 경화된 동일한 코팅은 단지 24시간 후에 블리스터를 발생시킨다. 이 데이터는, 심지어 상당히 더 오랜 경화 시간에서도, 450℉의 감소된 온도에서 상기 코팅의 완전 경화가 달성되지 않았으며, 이에 따라 염수 분무 캐비닛의 습한 염화물-함유 환경에서 불충분한 저항성을 초래하였으며, 즉 심지어 매우 짧은 노출 시간 하에서도 블리스터링 및 탈층을 발생시켰음을 명백히 입증한다.
기재에 대한 허용가능한 접합 및 수분에 대한 저항성을 갖는 고체 연속 필름에서의 규산염계 결합제의 전환은 경화 공정이 완전히 완료되고 비가역적일 때 일어난다는 것은 당업계에 잘 알려져 있다. 불완전한 경화 공정은 수분 흡수로 이어짐으로써 코팅 특성의 열화를 초래하기 때문에 불리하다.
규산염(예를 들어, 알칼리 규산염)의 경화는 물리적 공정과 화학적 공정의 동시발생이며, 하기와 같이 설명될 수 있는 2-단계 공정으로서 진행된다: 제1 단계에서는, 화학적으로 결합되지 않은 물의 증발이 일어나고, 그 결과 연속 층이 형성된다. 이러한 층의 표면은 물리적으로 결합된 물을 상실한 후에는 지촉에 대해 건조한 상태가 되지만, 수분에 대해 민감한 상태로 남아 있어서 더 높은 습도에 노출될 때에는 재습윤되기 쉬운 상태로 남아 있다. 제2 단계에서는, 알칼리 규산염 결합제의 완전 중화 및 중합이 일어나서 연속된 중합체 실록산 사슬(-Si-O-Si-)을 형성하며, 이에 따라 결합제의 완전 경화를 달성하고 실리카계 매트릭스를 수분에 대해 불투과성이 되게 한다.
이러한 전이의 제2 단계는 열처리를 통해 그리고/또는 경화 촉진 화합물과의 화학 반응에 의해 달성될 수 있다. 현재, 규산염을 위한 각종 다양한 경화 촉진제가 제안되어 있고 사용되고 있으며; 당업계에서 사용되는 경화 촉진제는 상이한 부류의 무기 화합물 및 유기 화합물에 속한다. 규산염의 경화 촉진제의 각종 부류 및 이들의 반응 메커니즘에 대한 상세한 검토가 문헌[Voitovich V. A. in Polymer Science, Series D, 2010, vol.3, No. 3, pp.174-176, 2010]에 의해 제공되어 있다.
예를 들어, 액체 알칼리 규산염은, 알칼리 규산염을 중화시키고 이에 따라 실리카를 중합하는 다양한 산성 또는 가용성 금속 화합물과 반응될 수 있다. 이러한 군의 경화 촉매들은 규산보다 더 강한 광산 및 유기산(예를 들어, 탄산, 붕산, 인산, 황산, 및 아세트산을 포함함), 무기 염, 예컨대 무기 인산염(예를 들어, NaH2PO4, AlPO4, 폴리인산염) 및 알루민산염을 포함한다.
금속 산화물(예를 들어, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화아연)은 알칼리 규산염에 널리 사용되는 경화 촉진 화합물의 다른 군을 구성하며, 이들 중에서 ZnO이 알칼리 규산염계 페인트에 가장 많이 이용되는데, 그 이유는 이것은 또한 백색 안료로서 작용하기 때문이다.
경화 촉진제로서의 마이크로-크기 및 나노-크기 실리카의 사용이 또한 당업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 문헌[Bahri, et. al (in Surface & Coatings Technology, v.254, 2014, pp.305-312)]에 기재된 바와 같이, AA2024 알루미늄 합금 상에의 규산칼륨 코팅 중 콜로이드성 나노-실리카의 첨가는 형성된 층의 연속성 및 균일성을 개선하며, 이에 따라 코팅의 내부식성을 개선한다.
또한, 리튬 폴리규산염의 경화를 위한 촉진제로서의 유기규산염(예를 들어, 소듐 메틸 실리코네이트)이 Sears G.W. et.al.의 미국 특허 제3,549,395호에 개시되어 있다.
또 다른 부류의 규산염 경화 촉진제가 당업계에 알려져 있다: 알킬렌 카르보네이트, 예컨대 에틸렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트 및 부틸렌 카르보네이트(이하, 각각 "EC", "PC", 및 "BC"로 지칭됨)는 수성 규산나트륨의 경화 속도를 향상시키는 것으로 알려져 있다. 미국 특허 제4,416,694호에 개시된 바와 같이, 규산나트륨이 결합제로서 사용되는 경우, 경화 반응의 속도는 특정 알킬렌 카르보네이트의 유형 및/또는 비에 의해 제어된다. 또한, Clements et al.의 미국 특허 출원 공개 제2007/0079731 A1호는 최적의 경화 조건을 달성하기에 유리한 상이한 알킬렌 카르보네이트들의 혼합물 및 비를 개시한다. 다양한 알킬렌 카르보네이트 경화 촉진제가 구매가능하며, 이에는, 예를 들어 JEFFSOL® 부틸렌 카르보네이트, JEFFSOL® 프로필렌 카르보네이트 및 비치환된 JEFFSOL® 에틸렌 카르보네이트가 있다.
본 발명의 코팅 조성물을 개발하는 과정에서, 본 출원인들은 리튬-도핑된 규산칼륨계 결합제의 경화 온도를 감소시키는 데 있어서의 효능에 대해 당업계에 기재되어 있는, 상기에 언급된 것들 중 다수를 포함한 상당한 수의 상이한 경화 촉진제 화합물을 스크리닝하고 시험하였다. 그러나, 이들 화합물 중 어느 것도 500℉ 미만의 경화 온도에서 완전 경화된 코팅을 생성하는 데 유용하지 않은 것으로 본 출원인에 의해 결정되었다. 도 2는 본 출원인들이 시험한 경화 촉진제들 중 일부의 불량한 염수 분무 결과를 나타낸다. 도 2의 (a)는 몇몇 상업적 공급원으로부터의 실리카(예를 들어, Cabot Corp.으로부터의 Cab-O-Sil® 및 Heubach로부터의 HeucoSil™ CTF)의 나노-크기 입자의 첨가를 나타내고; 도 2의 (b)는 (Evonic Industries로부터의 Aeroxide® Alu C & Alu 130의 브랜드명으로의) 알루미나를 이용한 결과를 나타내고; 도 2의 (c)는 지르코늄 트라이에탄올아민 착물(Tytan™ AQZ30의 시판명으로 입수가능함)을 이용한 결과를 나타내는데, 이 착물은 수용액에서 가수분해를 거쳐서 하이드록실 지르코늄 킬레이트를 생성하고, 이것은 -OH 기와 용이하게 가교결합하여 강한 겔을 형성하는 것으로 알려져 있다.
본 출원인들은 또한 규산염 매트릭스의 더 신속한 가교결합 및 경화를 촉진하기 위하여 중성에 가깝게 규산염 결합제의 pH를 낮추기 위하여, 완충제로서 작용하는 것으로 알려진 알칸올아민, 특히 아미노메틸 프로판올의 첨가를 시험하였는데, 이는 성공적이지 못하였다. 그러나, 관찰된 결과는 부정적이었는데; 특히, 알칸올아민 첨가제를 알루미늄 입자로 충전된 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제의 슬러리 중에 (1.0 중량% 내지 3.0 중량% 범위의) 다양한 농도로 첨가하고, 슬러리를 기재에 적용하고, 최대 16시간 동안 450℉에서 경화시켰을 때, 이 첨가제는 단지 48시간의 염수 분무 노출 후에 블리스터링되고 기재로부터 완전히 탈층된 코팅을 생성하였다.
유사하게, 알칼리 규산염의 경화 촉진에 대해 당업계에 알려져 있고 널리 사용되고 있는 알켄 카르보네이트의 시험도 성공적이지 못하였다. 예를 들어, 시판 JEFFSOL® GC 프로필렌 카르보네이트는 본 발명의 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제의 경화를 촉매하는 데 효율적이지 않았다: 본 발명의 슬러리 내에의 이러한 화합물의 첨가는 코팅의 층간 접착 특성에 해로운 것으로 밝혀졌다. 도 2의 (d)에서 알 수 있는 바와 같이, 코팅은 비등수에 노출된 후에 초킹(chalking)되어 있고, 염수 분무에 단지 24시간의 노출 후에 블리스터링을 발생시켰다.
본 출원인들에 의해 수행된 다수의 성공적이지 못한 모든 실험 이후, 놀랍게도 본 출원인들은 나노-크기 산화세륨 입자의 콜로이드성 용액이 알루미늄 입자로 충전된 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제를 포함하는 슬러리로부터 생성되는 코팅에 대한 효율적인 경화 촉진제로서 작용하며, 이에 따라 500℉ 미만으로의, 예컨대 400℉ 내지 450℉ 범위로의 상기 코팅의 경화 온도의 감소를 가능하게 한다는 것을 알아내었다. 실시예에서 추가로 입증되는 바와 같이, 이러한 경화 촉진제의 사용으로 생성된 코팅은 기재에 대한 허용가능한 접착력 및 층간 접착력을 입증하였을 뿐만 아니라, 1,000시간을 초과하는 염수 분무 및 고습 노출에 대한 높은 내부식성, 비등수 및 엔진 유체에 대한 저항성을 입증하였다.
도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 코팅은, 나노세리아의 콜로이드성 용액으로 처리되고 450℉에서 2시간 동안 경화될 때, 염수 분무 환경에서 부식에 대해 저항성이 있었다. 추가적으로, 도 3의 (b)는 1,720시간의 염수 분무 노출 후에 블리스터링 및 붉은 녹이 관찰되지 않았음을 나타낸다.
상기 언급된 나노-크기 산화세륨 경화 촉진제(즉, 경화 촉매)를 사용하는 본 발명의 슬러리 조성물은 당업계에 알려진 다수의 통상적인 적용 기법에 의해, 예컨대 분무, 브러싱, 딥핑(dipping), 딥-스피닝(dip-spinning) 등에 의해 기재에 적용될 수 있다.
본 발명의 규산염 결합제는 칼륨과 리튬을 20:1 내지 3:1 범위의 K2O:Li2O 비로, 더 바람직하게는 15:1 내지 4:1 범위의 K2O:Li2O 비로, 그리고 가장 바람직하게는 11:1 내지 7:1 범위의 K2O:Li2O 비로 함유할 수 있으며, 이때 모든 비는 본 명세서에서 중량 기준으로 표현된다. 규산염 대 칼륨 Si2O:K2O 비는 2:1 내지 6:1, 더 바람직하게는 2:1 내지 3:1, 그리고 가장 바람직하게는 2.4:1 내지 2.8:1의 범위일 수 있다. 가장 바람직한 규산염 조성물은 2.1:1 내지 2.6:1 범위의 Si2O:Me2O의 중량비로 나타낼 수 있으며, 여기서 Me2O = K2O + Li2O이다. 바람직한 실시 형태에서, 알루미늄 분말은 슬러리의 총 중량을 기준으로 약 20 내지 60 중량%, 더 바람직하게는 30 내지 50 중량%, 그리고 가장 바람직하게는 35 내지 45 중량%의 범위로 슬러리 내에 함유된다. 본 발명의 슬러리 내의 리튬-도핑된 규산칼륨 대 알루미늄 분말, Li-도핑된 규산칼륨:Al의 비는 약 0.12:1 내지 0.50:1, 더 바람직하게는 0.18:1 내지 0.46:1, 그리고 가장 바람직하게는 0.22:1 내지 0.37:1의 범위이다.
미국 특허 제9,017,464호에 훨씬 상세히 기재된 바와 같이, 본 발명의 슬러리에 이용되는 알루미늄 입자는 구형 불활성-가스 무화된 플레이크, 공기 무화된 플레이크, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 알루미늄 입자들은 바람직하게는 규산염계 결합제 중에 상호-분산(inter-disperse)되기에 적합한 크기를 갖는다. 일 실시 형태에서, 알루미늄 분말은 공기 무화되고 입자 크기 분포를 포함하며, 상기 입자 크기 분포는 입자 크기 분포의 50번째 백분위수가 약 4 내지 7 마이크로미터의 직경을 갖고 입자 크기 분포의 90번째 백분위수가 약 11.5 내지 15.5 마이크미터 이하의 직경을 갖는 것을 특징으로 한다. 다른 실시 형태에서, 구형 불활성-가스 무화된 알루미늄 분말은 입자 크기 분포를 포함하며, 상기 입자 크기 분포는 입자 크기 분포의 50번째 백분위수가 약 3.9 내지 4.5 마이크로미터의 직경을 갖고 입자 크기 분포의 90번째 백분위수가 약 9.0 마이크미터 이하의 직경을 갖는 것을 특징으로 한다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 본 발명의 입자 크기 D50 및 D90 수치는 입자 측정 장비로서 MicroTrac SRA 입자 분석기를 사용하는 레이저 회절 기법을 통해 획득되었다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "D50"은 입자의 50%가 중위 입자 크기보다 작고 50%가 그보다 큰 중위 입자 크기를 지칭하고, "D90"은 입자들의 90%가 90번째 백분위수 입자 크기보다 작은 90번째 백분위수 입자 크기를 지칭한다.
본 발명의 슬러리에 첨가될 때 나노-크기 세리아 입자의 콜로이드성 용액은 500℉ 미만, 예컨대 400 내지 450℉의 온도에서 완전 경화되는 슬러리-유도된 코팅의 형성으로 이어진다. 콜로이드성 용액은 다양한 수단에 의해, 예컨대 슬러리 중에서의 직접 혼합에 의해, 또는 바람직하게는, 먼저 슬러리의 층을 기재 상에 분무하고, 층을 (예를 들어, 초기 슬러리 층의 상부 상에 콜로이드성 용액을 분무함으로써) 콜로이드성 용액으로 처리하고, 이어서 생성된 코팅을 건조시키고, 최종적으로 경화시킴으로써 첨가될 수 있다. 결합제 용액은 건조 및 감소된 온도 경화 사이클 하에서 중합되고 고화되어, 허용가능한 기계적 강도, 가요성 및 내화학성을 갖는 연속 매트릭스를 형성한다.
이제, 본 발명의 코팅의 표면 모폴로지 및 미세구조를 설명할 것이다. 주사 전자 현미경법(SEM) 및 에너지-분산형 X-선 분광법(energy-dispersive X-ray spectroscopy, "EDS") 분석을 경화된 그대로의 상태에서 본 명세서에 논의된 모든 Li-도핑된 규산칼륨계 Cr-무함유 코팅에 대한 표면 모폴로지, 미세구조 및 원소 조성의 조사를 위해 수행하였다. 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)는 1000X 배율에서의 EDS 분석 데이터와 함께 코팅 표면의 상면 뷰 SEM 이미지를 나타내며; SEM 이미지 상의 마크는 원소 조성 데이터가 수집된 영역을 나타낸다. 두 코팅 모두 Al 입자로 충전된 Li-도핑된 규산칼륨 매트릭스를 가지며; 도 4의 (a)는 산화세륨 경화 촉진제를 사용하지 않고 650℉에서 30분 동안 경화되는 기저선 코팅에 대한 데이터를 제시하고, 이와 비교하여 도 4의 (b)는 산화세륨 경화 촉진제를 포함하고 450℉에서 2시간 동안 경화되는 본 발명의 코팅을 나타낸다. 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 코팅의 전체 모폴로지는 동일하며, 이로써 두 코팅 모두는 매설된 Al 입자를 갖는 규산염 매트릭스에 의해 형성되는 반면, 도 4의 (b)에서는, 산화세륨의 콜로이드성 용액이 그의 적용 동안 매트릭스를 함침시키고, 감소된 온도 경화 하에서 Ce-함유 코팅을 형성하였으며, 이때 CE-함유 상은 SEM 이미지 상에 백색으로 나타나며, 코팅 전체에 걸쳐 분포되지만 Al 입자의 표면 상에 실질적으로 집중되어 있다.
크롬산염-함유 SermeTel W® 벤치마크 및 미국 특허 제9,017,464호에 개시된 Cr-무함유 베이스 코팅과 유사한 본 발명의 경화된 그대로의 Cr-무함유 베이스코트는 전기 전도성이 아니며, 이에 따라 단지 장벽 보호만을 제공할 수 있으며, 기재에 대한 갈바닉 부식 보호는 불가능하다. 그러나, 본 발명의 코팅은 당업계에서 이 목적을 위해 널리 사용되는 임의의 처리에 의해, 예를 들어, 낮은 가공 압력에서 유리 비드에 의한 또는 연마 매체, 예를 들어 산화알루미늄 연마재를 사용한 버니싱과 같은 것에 의해 전기 전도성이 되게 할 수 있다. 따라서, 이러한 처리는 본 발명의 코팅이 아래에 놓인 기재에 대한 부식에 대해 갈바니 방식으로 보호되게 할 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 버니싱된 코팅의 저항률은 전형적으로 5 Ω 미만으로 측정되는데, 이는 OEM 사양에 의해 일반적으로 요구되는 15 Ω 미만의 값보다 충분히 낮다. 버니싱된 코팅의 전기 저항은 일반적으로 표준 저항률 측정기에 의해 측정되는데, 이때 프로브들은 코팅의 표면 상에 1 인치 간격으로 배치된다.
본 발명의 버니싱된 코팅의 미세구조는 또한 버니싱 공정에 의해 생성되는 것으로 당업계에 알려진 것에 대해 전형적이다. 도 5(a) 및 도 5(b)는 Al2O3 연마 매체로 버니싱된 코팅에 대한 각각 500X 및 1000X 배율에서의 상면 뷰 SEM 현미경 사진을 나타낸다. 일반적으로 말하면, 버니싱 동안 가압 매체 입자로부터 코팅에 부여되는 에너지는 알루미늄 입자 형상을 변경시킴으로써 코팅의 치밀화를 야기한다. 도 5(a) 및 도 5(b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 버니싱은 경화된 그대로의 코팅을 압축하고 개질된 코팅 층을 형성한다. 구체적으로는, 압축은 코팅 표면 미세구조의 실질적인 변화를 부여한다. 알루미늄 입자는 편평화되며, 이는 코팅 치밀화 및 기공의 폐쇄를 가져온다. 이들 변화는 알루미늄 입자들 사이의 연속적인 접촉을 제공하며, 그럼으로써 코팅이 전도성이 되게 한다.
경화된 그대로의 조건 및 버니싱된 조건(각각 도 6(a) 및 도 6(b))에서의 코팅 단면에 대한 SEM 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 충격 하에서의 코팅 미세구조의 변화는 표면 상에서 일어날 뿐만 아니라 약 15 내지 20 μm의 상당한 깊이까지에서도 일어난다. 도 6(b)의 버니싱된 코팅의 더 치밀하고, 덜 다공성인 층은 기재에 대한 추가적인 장벽 보호의 이점을 제공할 수 있다.
본 발명의 코팅은 일반적으로 0.5 내지 3.0 밀의 두께로 적용되며, 바람직한 두께는 0.8 내지 1.6 밀이다. 그러한 코팅 두께는 1회의 경화 사이클로 구축될 수 있거나, 필요하다면, 2회 이상의 경화 사이클을 사용하여 다층으로 구축될 수 있다. 바람직하게는, 각각의 층은 상기 언급된 나노-세리아 경화 촉매의 첨가를 거친다. 최소 두께는 기재를 덮는 연속 층을 제공할 필요성에 의해 결정된다. 베이스코트 층의 최대 두께는 일반적으로 전체 다층 오버레이 시스템의 목표 두께 또는 지정된 두께에 의해 결정된다. 특정 응용을 위한 기능적 요건을 초과하여 코팅을 적용하지 않는 것이 관행적이고 바람직하다. 예를 들어, 터빈 압축기 응용을 위한 전형적인 코팅 두께는 3 밀(75 μm) 미만인 반면, (예를 들어, 압축기 블레이드 및 베인과 같은) 일부 구성요소 상에의 코팅 두께는 전형적으로 2 밀 미만이어야 한다.
연마 매체에 의한 버니싱을 통한 본 발명의 베이스코트의 활성화는 적용 공정의 최종 단계로서 행해질 수 있을 뿐만 아니라, 코팅의 제1 층을 경화시킨 후에 행해지고, 이어서 코팅의 제2 층을 적용하고 경화시키는 것과 같이 코팅 층들 사이에서도 행해질 수 있음이 이해되어야 한다. 이러한 경우에, 코팅의 제1 층은 전도성으로 될 것이며, 이에 따라 갈바닉 부식 보호를 제공할 수 있는 반면, 코팅의 제2 층은 비전도성으로 유지될 것이며; 그 결과, 전체 희생 활성이 감소되고 더 오래 지속될 것이다.
제1 층의 적용 후에 버니싱된 코팅의 미세구조의 예가 코팅 단면에 대한 SEM 데이터로부터 확인될 수 있다(도 7): 제1 층은 버니싱의 결과로서 훨씬 더 치밀한 반면, 상부 층은 더 다공성인 상태로 남아 있다.
도 6 및 도 7의 SEM 단면 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 경화된 코팅에서, 나노-크기 CeO2의 콜로이드성 용액에 의한 처리로부터 유도된 Ce-함유 상은 전체 코팅 깊이 전체에 걸쳐 분포되고, 코팅 매트릭스 내에 매설된 Al 입자의 표면 상에 실질적으로 집중되어 있음에 유의하는 것이 중요하다. 이는 나노-크기 산화세륨의 콜로이드성 용액의 경화 촉진 작용의 가능한 메커니즘의 지표일 수 있다.
실제로, 산화세륨 나노입자-함유 재료는 불균일 촉매 반응의 구조적 및 전자적 촉진제로서 그리고 촉매로서 많은 주목을 끌어 왔다. 나노세리아의 이러한 높은 촉매 활성은 Ce4+로부터 Ce3+ 산화 상태로의 세륨 원자의 용이한 전이로 인해, 그리고 그의 결정 격자 내에서의 산소 빈자리(vacation)의 형성 및 이에 따른 산화환원 반응 동안의 CeO2로부터 CeO2-x(여기서, 0 ≤ x ≥ 1)로의 전이로부터 발생된다. 최근에, 이러한 특유의 촉매 능력에 대한 다수의 실험 확인 및 메커니즘 연구가 보고되어 왔다(예를 들어, 문헌[Pan Ni, et. al. in RSC Advances, 2015, v. 5, pp. 97512-97519]에 의함). 수용액 중에서의 나노세리아의 자가촉매 거동이 또한 하기와 같이 제시되어 있다(문헌[Can Xu, et. al, NPG Asia Materials, 2014, v.6, pp. 1-16]에 의한 리뷰 논문 참조):
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본 발명의 코팅의 경화 촉진제로서의 콜로이드성 나노세리아의 특유의 역할을 확인하기 위하여, 본 출원인들은 하기 실험들을 수행하였다. 첫 번째, 나노세리아의 콜로이드성 용액을 사용하는 대신에, 본 출원인들은 세리아의 입자 크기와 유사한 입자 크기를 갖는 티타니아 TiO2 의 나노-크기 입자의 콜로이드성 용액을 사용하여 실험을 수행하였다. 다른 실험에서, 본 출원인들은 나노세리아의 콜로이드성 용액 대신에 질산세륨 Ce(NO3)3의 용액을 사용하였다. 두 경우 모두에 있어서의 결과는 부정적이었다: 450℉에서 경화된 코팅은 염수 분무 시험 후에 파괴되었고(도 8(a) 및 도 8(c)) - 비교적 짧은 노출 시간 후에 -, 또한 비등수에 대한 노출 하에서 파괴되었다(도 8(b) 및 도 8(d)). 따라서, 본 출원인들은 본 발명의 알루미늄-충전된 리튬-도핑된 규산칼륨 슬러리 조성물에 대한 경화 촉매 활성을 특별하게 갖기 때문에 콜로이드성 나노세리아가 특유하다는 것을 검증하였다.
어떠한 이론에 의해서도 구애됨이 없이, 본 출원인들은 산화세륨 나노입자의 상기 언급된 특유의 산화 특성이 Al 입자의 표면 상에의 얇은 활성 산화물-수산화물 층의 가능한 동일계내(in-situ) 형성의 원인이 될 뿐만 아니라, 세리아 입자와 규산염 화학종의 표면 상호작용을 통한 규산염 매트릭스와의 -Si-O-Ce- 결합 형성의 원인이 됨으로써, 금속 입자와 규산염계 중합체 매트릭스의 강한 결합의 형성을 촉매하고, 이는 다시, 더 낮은 온도에서 완전 경화되는 코팅의 능력으로 이어지고 있음을 시사한다.
바람직한 실시 형태에서, 본 발명의 슬러리 조성물이 알루미늄 미립자와 조합될 때 베이스코트 조성물을 형성하는 데 특히 유용하지만, 본 발명은 임의의 적합한 금속 미립자의 사용을 고려한다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들어, 다양한 알루미늄 합금(예컨대, 알루미늄-규소, 알루미늄-구리 또는 알루미늄-마그네슘)의 미세 입자가 본 발명의 리튬-도핑된 규산칼륨계 결합제와 함께 사용될 수 있다. 슬러리 및 코팅 조성물에 사용될 수 있는 다른 예시적인 금속 분말은 아연, 니켈 및 규소이다. 특정 유형의 금속 분말의 선택은 최종 용도 응용에서 요구되는 기능적 특성 및 이들 금속 분말 중 임의의 것을 이용하여 얻어지는 특성을 포함한 다수의 인자에 따라 좌우될 수 있다.
더욱이, 본 발명에서 발견되었고 실시예에 의해 입증될 바와 같이, 아연 금속 입자가 Al 금속 입자를 부분 치환하였을 때, 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제-기반 슬러리로부터 얻어진 코팅의 완전 경화가 훨씬 더 낮은 온도, 예컨대 350℉에서 달성되었다. 어떠한 특정 이론에 의해서도 구애됨이 없이, 이러한 발견은, 결국 규산염 매트릭스와 용이하게 결합되는 활성 표면 산화물 층의 형성과 함께, 나노세리아의 콜로이드성 용액에 의해 용이하게 산화될 수 있는 Zn 입자의 능력에 의해 설명될 수 있다.
하기 실시예에서 보여지고 논의될 바와 같이, 본 발명자들은 광범위한 시험을 수행하여, 본 발명의 Cr(VI)-무함유 슬러리 조성물이 나노-크기 세리아의 콜로이드성 용액으로 처리될 때, 500℉ 미만의 감소된 온도에서 완전 경화된 코팅을 생성하였으며, 이때 코팅은 당업계에서 현재 사용되는 저온 경화형 레거시(legacy)인 Cr(VI) 함유 SermeTel® 코팅에 대한 OEM 사양에 의해 제시되는 성능 요건, 예컨대 500℉를 초과하는 통상의 SermeTel® 경화 온도에 노출될 수 없는 재료로부터 구성된 구성요소를 위한 갈바닉 희생 부식 보호를 만족시켰음을 확인시켜 주었다.
특히, 본 발명의 코팅의 보호 특성을 평가하기 위해 일련의 특별한, 다소 까다로운 시험을 수행하였다. 전형적으로, OEM 요건은 베이스 금속에 대해 희생적인 비교적 높은 내부식성(즉, 코팅되고 스크라이빙된 "X" 패널은 ASTM B117 염수 분무 시험에서 최대 1,000시간 동안 어떠한 금속 기재 녹?도? 나타내지 않아야 함)뿐만 아니라, 고온수 및 엔진 유체 노출에 대한 저항성을 포함한다.
하기 실시예에서의 각각의 코팅을 각각의 기재 상에 적용하고, 500℉ 미만의 감소된 온도에서 경화시켰다. 구체적으로는, 저탄소(low-carbon) 1008/1010 강 또는 4130 저합금 강의 패널을 100 메시 그릿을 사용하여 그릿-블라스팅(grit-blasting)함으로써 초기에 표면 처리하였다. 이어서, 시험하고자 하는 슬러리를 패널 상에 분무하였다. 그 후에, 바람직한 실시 형태에 따르면, 슬러리를 175 F에서 15분 동안 건조시키고, 나노-크기 세리아의 콜로이드성 용액으로 처리하고, 이어서 350 내지 450℉에서 경화시켜 코팅 층을 형성하였다.
제조된 코팅의 기계적 특성 및 기능적 특성을 다음과 같이 시험하였다. 기재에 대한 코팅 접착력 및 층간 접착력을 크로스-해치 테이프(ASTM D3359에 따름) 및 굽힘 시험에 의해 시험하였다. ASTM D3359 시험 방법에서는, 1 mm 이격된 스크라이브 라인들의 크로스컷 그리드(crosscut grid)를 코팅 내로 절단하여 기재까지 관통하였다. 이어서, ASTM D3359에 의해 정의된 바와 같은 표준 접착 테이프를 그리드에 적용하고 180ㅀ 각도로 뒤로 당겨 박리하였다. 접착력은 테이프에 의해 제거된 코팅의 양에 의해 결정하였다. 또한, 크로스-해치 영역의 광학 현미경 사진 평가(X6)를 수행하였으며, 매우 유익한 정보인 것으로 밝혀졌다. 굽힘 시험에서는, 0.22" 직경의 맨드릴 둘레로 코팅된 패널의 90ㅀ 굽힘을 수행한 후, 균열, 박리 또는 탈층과 같은 임의의 결함에 대해 굽힘 주위의 영역을 평가하였다.
1010 패널 상의 버니싱되고(220 메시 그릿) 스크라이빙된 코팅의 염수 분무 시험을 적어도 1000시간 동안, 그리고 일부 경우에는 1,500시간을 초과하여 ASTM B117에 따라 수행하였다.
4130 패널 상의 코팅의 내열성을 850℉에서 168시간 동안 시험하였다.
고온수 저항성 시험과 관련해서는, 1010 패널 상의 코팅을 비등수 중에 10분 동안 넣어 두고, 이어서 냉각시키고 3시간 동안 공기-건조시킨 후, 전술된 바와 같이 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험을 수행하였다.
연료 저항성 시험은 실온에서 4시간 동안 연료 B 유체 중에 침지해 둔 코팅된 1010 패널에 대해 수행하였다.
또한, 160℉의 시험 온도에서 100시간 동안 Skydrol 500 중에 침지해 둠으로써 코팅된 패널에 대해 수압 유체에 대한 저항성을 시험하였다.
본 발명의 슬러리 및 코팅 제형의 바람직한 실시 형태가 상기에 기재되어 있지만, 하기 실시예는 본 발명의 슬러리 및 코팅의 특성 및 기능에 관한 더 나은 이해를 위한 기초를 제공할 뿐만 아니라, 상기 코팅이 벤치마크 Cr(VI) 함유 저온 경화형 베이스 코팅, 예컨대 SermeTel® 984 및 SermeTel® 1460과 동등하게 수행한다는 것을 입증하기 위한 것으로 의도된다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예 1
본 발명의 원리에 따라, 나노-크기 세리아의 콜로이드성 용액을 Li-도핑된 규산칼륨 결합제-기반, 알루미늄 안료 충전된 코팅을 위한 경화 촉매로서 사용하였다. 콜로이드성 용액은 pH가 약 9이고, 20 중량% 함량의 세리아 입자를 가졌으며, 세리아 입자의 평균 크기는 5 나노미터 미만이었다. 나노-크기 산화세륨 콜로이드성 용액은 본 명세서에서 " NCeOC "로 추가로 지칭될 것이다. 먼저, Li-도핑된 규산칼륨계, Cr-무함유 슬러리를 제조하였으며; 슬러리는 Si2O:Me2O 중량비가 2.4:1인 Li-도핑된 규산칼륨의 수용액을 포함하였으며, 여기서 Me2O = K2O + Li2O이고, K2O:Li2O 비 = 8.2:1(중량 기준)이었다. 슬러리에 사용된 알루미늄 분말은 구형 불활성-가스 무화된 Al 입자의 형태였으며, 이것은 입자 크기 분포를 포함하였으며, 상기 입자 크기 분포는 입자 크기 분포의 50번째 백분위수가 약 3.9 내지 4.5 마이크로미터의 직경을 갖고 입자 크기 분포의 90번째 백분위수가 약 9.0 마이크미터 이하의 직경을 갖는 것을 특징으로 하였다. Al 함량은 슬러리의 전체 중량을 기준으로 44 중량%였으며, 이로써 규산염:Al의 비는 0.25:1이었다. 슬러리를 전술된 바와 같이 강 1008/1010 패널 상에 적용하여 코팅 층을 형성하고; 이 층을 175℉에서 15분 동안 건조시키고, 이어서 NCeOC 의 콜로이드성 용액을 이 건조된 층의 상부 상에 분무하고, 다시 175℉에서 건조시키고, 이어서 코팅을 450℉에서 2시간 동안 경화시켰다. 상기 공정을 반복하여 1.3 내지 1.6 밀의 총 코팅 두께를 얻었으며; 생성된 코팅은 조도 Ra가 약 22 내지 24 마이크로인치인 매끄럽고 균일한 표면을 나타내었다. 후속으로, 코팅을 시험하였다.
실시예 1의 코팅의 화학 조성을 EDS 분석에 의해 시험하고, 도 1에 나타낸 바와 같은, NCeOC 를 사용하지 않은 것을 제외하고는 정확하게 동일한 슬러리로부터 적용된 코팅들과 비교하였다. 도 1의 코팅들은 450℉에서 완전 경화될 수 없었다. 그 결과, 이들은 염수 분무 시험에 대한 비교적 짧은 노출 하에서 블리스터링되었다. 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)에서의 EDS 스펙트럼으로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 1의 코팅들의 조성은 경화 촉진제로 처리된 실시예 1의 코팅과 상이한데, 이로써 실시예 1의 코팅은 도 4의 (a)의 것에서는 부재하는 추가의 세륨-함유 상(도 4의 (b))을 포함하게 된다.
450℉에서 2시간 동안 경화된, NCeOC 처리된 코팅의 단면 SEM으로부터 수집된 EDS 데이터에 따르면(도 6(a) 참조), 상이한 단면 위치에서 측정된 경화된 그대로의 코팅의 조성은 약 4 내지 약 7 원자% 범위의 양으로 존재하는 세륨-함유 상을 포함한다. 표로 작성된 전체 결과가 하기 표 1에 나타나 있다.
[표 1]
Figure pct00002
실시예 1의 코팅은 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험(도 9) 둘 모두에서, NCeOC 를 사용하지 않은 도 1의 코팅들보다 월등한, 강 기재에 대한 허용가능한 접착력을 보여주었다.
실시예 1의 코팅을 제2 층의 적용 및 경화 후에 연마 매체(220 메시 크기의 Al2O3)로 버니싱하였으며(도 6(b) 참조); 버니싱 후의 조성은 상당히 유사하였는데, 세륨-함유 상의 함량은 약 3 내지 약 8 원자% 범위의 양이었다. 표로 작성된 전체 결과가 표 2에 나타나 있다.
[표 2]
Figure pct00003
내부식성 시험에서의 성능은 NCeOC 로 처리되고, 이어서 감소된 경화 온도에서 경화된 본 발명의 코팅에 대해 허용가능한 것으로 관찰되었다. 성능 결과는 NCeOC 를 사용하지 않은 것을 제외하고는 정확히 동일한 슬러리로부터 적용된 코팅들보다 월등하였다. 도 3(a) 및 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 코팅은 1,700시간을 초과하는 동안 염무에 노출된 후에 스크라이브 또는 필드에서 붉은 녹의 부재를 보여주었다. 코팅의 블리스터링이 관찰되지 않았으며, 이에 따라 규산염 매트릭스의 완전 경화가 450℉의 온도에서 달성된 것으로 확인되었다.
실시예 2
실시예 1에서와 동일한 Li-도핑된 규산칼륨계 Cr-무함유 슬러리로부터의 실시예 2의 코팅을 적용하고, 이어서 유사하게 NCeOC 로 처리하고, 450℉에서 2시간 동안 경화시켰다. 이 실시예에서는, 코팅의 제1 층을 경화시킨 후에 연마 매체에 의한 버니싱을 수행하고, 이어서 코팅의 제2 층을 제1 층과 유사하게 적용하고 경화시켰다. 이 코팅의 미세구조는 도 7에 나타낸 바와 같았으며; EDS 분석에 따르면, 세륨-함유 상의 함량은 코팅 단면 전체에 걸쳐 약 5 내지 약 19 원자%의 범위였다. 표로 작성된 전체 결과가 하기 표 3에 나타나 있다.
실시예 2의 코팅은 1700시간 초과의 노출 후에 블리스터링 또는 붉은 녹의 발생 없이 기재에 대한 허용가능한 접착력 및 층간 접착력뿐만 아니라 염무에 대한 허용가능한 저항성을 보여주었으며(도 10(a), 도 10(b), 도 10(c), 도 10(d)); 표면 상에의 희생 부식 생성물의 형성은 코팅의 약간 더 어두운 변색으로 이어졌는데, 이것은 파괴로 간주되지 않았다.
[표 3]
Figure pct00004
실시예 3
본 발명의 코팅들을, 그들의 기능적 성능이 저온 경화형 레거시인 Cr(VI) 함유 오버레이 코팅, 예컨대 시판 SermeTel ®984 베이스코트에 대한 다양한 OEM 사양에 의해 제시되는 요건을 충족시킨다는 것을 검증하기 위한 목적으로 추가로 시험하였다. 고온수 침지 시험을 수행하였는데, 여기서는 실시예 1 및 실시예 2의 코팅을 10분 동안 비등수 중에 넣어 두고, 이어서 냉각시키고, 3시간 동안 공기 건조시킨 후, 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험을 수행하였다. 고온수 침지 시험은 코팅 경화 완전성뿐만 아니라, 기재에 대한 코팅의 접착력 및 층간 접착력에 있어서의 어떠한 결함을 드러내는 가혹한 시험이다. 도 11(a), 도 11(b) 및 도 11(c)는 표면 모폴로지(40X 배율에서의 광학 현미경)뿐만 아니라, 고온수 침지 시험 후의 실시예 1의 코팅의 크로스-해치(6X 배율에서의 광학 현미경) 및 굽힘 접착력 시험의 결과를 나타내며; 도 12(a), 도 12(b) 및 도 12(c)는 실시예 2의 코팅에 대한 데이터를 나타낸다. 이들 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 코팅은 비등수 노출에 의한 영향을 받지 않았다: 블리스터링, 및 층들 사이의 탈층이 관찰되지 않았으며, 이에 따라 NCeOC 의 사용으로 인해 450℉의 감소된 온도에서 완전 경화가 달성된 것으로 검증되었다.
또한, 본 발명의 모든 코팅은 850℉에서의 168시간의 열 노출 후에 코팅 색상 변화, 블리스터링 또는 기재로부터의 탈층이 관찰되지 않는 것을 특징으로 하는, 월등한 열 산화 저항성을 나타내는 것으로 결정되었다. 이들 침지 시험에 대한 벤치마크로서 또한 사용된, 동일한 감소된 온도에서 경화된, 레거시인 Cr(VI) 함유 SermeTel® 984 코팅에 대한 OEM 사양에 따라 시험의 조건을 설정하였다: 본 발명의 코팅은 벤치마크와 유사한 성능을 나타내었다.
도 13(a), 도 13(b), 도 14(a) 및 도 14(b)는 각각 실시예 1 및 실시예 2의 코팅의 열 노출 후에 수행된 크로스-해치(6X 배율에서의 광학 현미경) 및 굽힘 접착력 시험의 결과를 나타낸다.
표준 엔진 연료에 대한 저항성은 항공기 응용에서의 코팅 서비스에 필요하다. 따라서, 실시예 1 및 실시예 2의 코팅에 대해 연료 B 침지 시험을 수행하였다: 코팅된 패널을 실온에서 4시간 동안 엔진 연료 B 시험 유체 중에 침지하고, 이어서 접착력 시험을 수행하였다. 도 15(a), 도 15(b), 도 16(a) 및 도 16(b)에 제시된 바와 같이, 블리스터링, 파쇄(spallation) 또는 어떠한 접착 열화도 관찰되지 않았다: 역시, 본 발명의 코팅은 상기 언급된 벤치마크 코팅과 유사한 성능을 나타내었다.
실시예 4
놀랍게도 본 발명에서 발견된 바와 같이, 아연 금속 입자가 Al 금속 입자를 부분 치환하였을 때, 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제-기반 슬러리로부터 얻어지고 NCeOC 로 처리된 코팅의 완전 경화가 훨씬 더 낮은 온도, 예컨대 350℉에서 달성되었다. 이러한 발견은 하기 실시예 4에 의해 예시되어 있다.
실시예 4의 코팅을 하기와 같이 제조하였다. 먼저, "A", "B", "C" 및 "D"로 지정된 Li-도핑된 규산칼륨계 Cr-무함유 슬러리를 제조하였으며; 이들 슬러리 각각은 Si2O:Me2O 중량비가 2.4:1인 Li-도핑된 규산칼륨의 수용액을 포함하였으며, 여기서 Me2O = K2O + Li2O이고, K2O:Li2O 비 = 8.2:1(중량 기준)이었다. 앞서의 실시예 1 내지 실시예 3에서와 동일한 알루미늄 분말을 이들 슬러리에 사용하였다. 그러나, 아연 분말을 또한 4.9 내지 6.4 마이크로미터의 크기 범위, 전형적으로 5.5 마이크로미터 크기로 슬러리에 사용하였다. Zn 입자가 다양한 Al:Zn 중량비로 Al 입자를 부분적으로 치환하였으며(표 4 참조); 슬러리 A 내지 슬러리 D 내의 금속 입자의 총 함량 M = Al + Zn은 수성 슬러리 내의 규산염:M의 비가 약 0.25:1이 되도록 슬러리의 전체 중량을 기준으로 약 44 중량%로 일정하게 유지되었다.
[표 4]
Figure pct00005
슬러리 "A", "B", "C", 및 "D" 각각을 전술된 바와 같이 강 1008/1010 패널 상에 적용하여 유사한 표기 "A", "B", "C" 및 "D"를 갖는 상응하는 코팅 층을 형성하고; 상응하는 코팅 층 각각을 175℉에서 15분 동안 건조시키고, 이어서 NCeOC 의 콜로이드성 용액을 상응하는 건조된 층 각각의 상부 상에 분무하고, 다시 175℉에서 건조시키고, 이어서 상응하는 코팅들을 350℉에서 4시간 동안 경화시켰다. 상기 공정을 반복하여 각각의 상응하는 코팅에 대해 1.1 내지 1.5 밀의 총 코팅 두께를 얻었으며; 생성된 코팅 각각은 조도 Ra가 약 30 내지 40 마이크로인치인 매끄럽고 균일한 표면을 나타내었다.
후속으로, 상응하는 슬러리 "A", "B", "C" 및 "D"로부터 생성된 코팅 "A", "B", "C" 및 "D"를 비등수 시험(즉, 전술된 바와 같은 물 침지 시험)에 노출시킨 후에 크로스-해치 및 굽힘 접착력 시험을 수행함으로써 경화의 완전성에 대해 시험하였다. 코팅 "A", "B", "C" 및 "D" 모두는 이 시험을 통과하였다: 코팅 손실의 부재, 허용가능한 크로스-해치 접착력 및 굽힘부 상에서의 파쇄 부재는 완전 경화가 350℉ 정도로 낮은 온도에서 달성되었음을 입증하였다. 도 17(a) 내지 도 17(d)는 6X 배율을 갖는 광학 현미경 하에서 검사된 바와 같은 크로스-해칭된 코팅의 결과를 나타낸다.
실시예 5
상응하는 슬러리로부터 생성된 실시예 4의 코팅 "A", "B", "C", "D"를, Al2O3 연마 매체에 의한 버니싱을 각각의 코팅의 제2 층을 경화시킨 후에 수행함으로써 활성화하였다. 다음으로, 코팅들을 ASTM B117에 따라 내부식성에 대해 시험하였다. 도 18(a) 내지 도 18(d)에 의해 입증되는 바와 같이, 1,100 시간의 노출 시간 후에, 코팅들 중 어느 것도 필드 또는 스크라이브에서 어떠한 블리스터링 또는 붉은 녹도 발생시키지 않았다. 이러한 경우에, 백색 희생 부식 생성물이 코팅 각각의 표면 상에 형성되었는데, 이것은 파괴로 간주되지 않았다.
실시예 4에 기재된 바와 같이, 슬러리 C로부터 생성된 코팅 C를 증분 방식으로 최대 2,550시간 동안 염무에 노출시켰다. 2,550시간의 노출은 이 시험에 대해 대부분의 OEM 사양에 의해 요구되는 일반적으로 인식되는 표준 노출 시간을 2배 넘게 초과한다. 도 19(a) 내지 도 19(f)는 상이한 노출 시간에서의 코팅 C를 나타낸다: 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 코팅 C는 350℉에서 4시간 동안 완전 경화되었으며, 심지어 2,550시간의 노출 후에도 필드 또는 스크라이브에서 블리스터링 또는 붉은 녹의 발생 없이 염무에 대한 허용가능한 저항성을 나타내었다. 표면 상에의 백색 희생 부식 생성물의 형성이 관찰되었지만, 이는 코팅의 제2 층을 경화시킨 후에 Al2O3 연마 매체로 버니싱함으로써 코팅 활성화를 수행한 모든 SermeTel® 베이스코트(레거시인 Cr(VI) 함유 베이스 코트를 포함함)에 대해 전형적이다. 당업계에 잘 알려져 있고 앞서 언급된 바와 같이, 이러한 백색 희생 부식 생성물의 형성은 파괴로 간주되지 않으며, 희생 코팅의 염무 환경에 대한 노출 시간이 길어질수록, 형성되는 희생 부식 생성물의 양은 더 많아진다.
본 발명의 소정 실시 형태인 것으로 간주되는 것을 제시하고 설명하였지만, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 형태 또는 세부사항에 있어서의 다양한 수정 및 변경이 용이하게 이루어질 수 있음이 물론 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 제시되고 설명된 정확한 형태 및 세부사항으로 한정되지 않으며, 또한 본 명세서에 개시되고 이하에서 청구된 본 발명의 전체보다 더 적은 어떠한 것으로도 한정되지 않고자 한다.

Claims (24)

  1. 기재(substrate) 상에 코팅을 생성하기 위한 수성 슬러리 조성물로서,
    크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨의 수용액을 포함하는 결합제;
    상기 결합제 내로 혼입된 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말; 및
    나노-크기 산화세륨 콜로이드성 용액을 포함하는 경화 촉매를 포함하는, 수성 슬러리 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 분말과 상기 결합제 또는 상기 알루미늄 합금 분말과 상기 결합제는 1-파트(one-part) 조성물로서 함유되는, 수성 슬러리 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나노-크기 산화세륨 콜로이드성 용액은 상기 결합제와 상기 알루미늄 분말의 혼합물과 별도로 저장되는, 수성 슬러리 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 슬러리 내의 상기 리튬-도핑된 규산칼륨 및 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말은 규산염 대 상기 알루미늄 분말 또는 상기 알루미늄 합금 분말의 약 0.12:1 내지 0.50:1의 중량비로 함유되는, 수성 슬러리 조성물.
  5. 기재 상에 코팅을 생성하기 위한 수성 슬러리 조성물로서,
    크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨의 수용액을 포함하는 결합제;
    알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말과 조합된 아연 분말; 및
    나노-크기 산화세륨 콜로이드성 용액을 포함하는 경화 촉매 촉진제를 포함하는, 수성 슬러리 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 슬러리 내의 상기 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말은 입자 크기 분포를 포함하며, 상기 입자 크기 분포는 상기 입자 크기 분포의 50번째 백분위수가 약 4 내지 7 마이크로미터의 직경을 갖고 상기 입자 크기 분포의 90번째 백분위수가 약 11.5 내지 15.5 마이크미터 이하의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 수성 슬러리 조성물.
  7. 제5항에 있어서, 상기 나노-크기 산화세륨 콜로이드성 용액은 상기 알루미늄 분말 또는 상기 알루미늄 합금 분말과 조합된 상기 아연 분말을 함유하는 상기 결합제와 별도로 저장되는, 수성 슬러리 조성물.
  8. 제5항에 있어서, 상기 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제는 상기 슬러리 내의 상기 알루미늄 분말 또는 상기 알루미늄 합금 분말과 조합된 상기 아연 분말을 포함하며, Al/Zn의 중량비는 약 8:1 내지 1:1인, 수성 슬러리 조성물.
  9. 제5항에 있어서, 상기 아연 분말은 Al/Zn의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입되고, 상기 알루미늄 분말 또는 상기 알루미늄 합금 분말은 상기 결합제 대 상기 알루미늄 분말 또는 상기 알루미늄 합금 분말의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입되는, 수성 슬러리 조성물.
  10. 기재를 위한 코팅 조성물로서,
    크롬을 함유하지 않는 세라믹 매트릭스 - 상기 매트릭스는 규산염 결합제에 의해 형성되며, 상기 규산염 결합제는 리튬으로 도핑된 규산칼륨임 -;
    상기 매트릭스 내에 매설된 복수의 알루미늄-함유 입자; 및
    세륨-함유 상(phase)으로서 상기 세라믹 매트릭스 내로 함침된 세륨-함유 화합물을 포함하는, 코팅 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 세륨-함유 상의 적어도 일부분이 상기 알루미늄-함유 입자의 표면을 따라 분포되는, 코팅 조성물.
  12. 제10항에 있어서, 상기 세륨-함유 상은 상기 코팅의 깊이의 상당한 부분을 따라 연장되는, 코팅 조성물.
  13. 제10항에 있어서, 상기 세륨은 에너지-분산형 X-선 분광법(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS) 분석에 의해 결정될 때, 경화된 그대로의 상기 코팅의 약 4 내지 약 7 원자 중량% 범위의 양으로 존재하는, 코팅 조성물.
  14. 제10항에 있어서, 상기 세륨은 EDS 분석에 의해 결정될 때, 버니싱된(burnished) 상기 코팅의 약 3 내지 약 8 원자 중량% 범위의 양으로 존재하는, 코팅 조성물.
  15. 기재를 위한 코팅 조성물로서,
    크롬을 함유하지 않는 세라믹 매트릭스 - 상기 매트릭스는 규산염 결합제에 의해 형성되며, 상기 규산염 결합제는 리튬으로 도핑된 규산칼륨임 -;
    상기 매트릭스 내에 매설된 복수의 알루미늄-함유 및 아연-함유 입자; 및
    세륨-함유 상으로서 상기 세라믹 매트릭스 내로 함침된 세륨-함유 화합물을 포함하는, 코팅 조성물.
  16. 제15항에 있어서, 상기 세륨-함유 상의 적어도 일부분이 상기 알루미늄-함유 입자 및/또는 상기 아연-함유 입자의 표면을 따라 분포되는, 코팅 조성물.
  17. 제15항에 있어서, 상기 세륨-함유 상은 상기 코팅의 깊이의 상당한 부분을 따라 연장되는, 코팅 조성물.
  18. 기재 상에 코팅을 적용하기 위한 방법으로서,
    수성 1-파트 슬러리를 제공하는 단계 - 상기 수성 1-파트 슬러리는
    크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제; 및
    상기 결합제 대 상기 알루미늄-함유 분말의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입된 알루미늄-함유 분말을 포함함 -;
    상기 수성 1-파트 슬러리를 상기 기재의 표면 상에 적용하는 단계;
    상기 수성 1-파트 슬러리가 적용된 층을 나노-크기 산화세륨의 콜로이드성 용액으로 처리하여 베이스코트 층을 형성하는 단계; 및
    상기 베이스코트 층을 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 베이스코트 층의 경화는 약 500℉ 미만에서 일어나는, 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 수성 1-파트 슬러리는 상기 수성 1-파트 슬러리를 상기 나노-크기 산화세륨의 콜로이드성 용액으로 처리하기 전에 건조되는, 방법.
  21. 기재 상에 코팅을 적용하기 위한 방법으로서,
    수성 1-파트 슬러리를 제공하는 단계 - 상기 수성 1-파트 슬러리는
    크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제; 및
    상기 결합제 대 상기 알루미늄-함유 분말의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입된 알루미늄-함유 분말; 및
    상기 알루미늄-함유 분말 대 상기 아연-함유 분말의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입된 아연-함유 분말을 포함함 -;
    상기 수성 1-파트 슬러리를 상기 기재의 표면 상에 적용하는 단계;
    상기 수성 1-파트 슬러리가 적용된 층을 나노-크기 산화세륨의 콜로이드성 용액으로 처리하여 베이스코트 층을 형성하는 단계; 및
    상기 베이스코트 층을 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 베이스코트 층의 경화는 약 400℉ 미만에서 일어나는, 방법.
  23. 기재 상에 코팅을 적용하기 위한 방법으로서,
    수성 1-파트 슬러리를 제공하는 단계 - 상기 수성 1-파트 슬러리는
    크롬의 부재를 특징으로 하는, 리튬-도핑된 규산칼륨 결합제; 및
    상기 결합제 대 상기 알루미늄-함유 분말의 미리 결정된 중량비로 상기 결합제 내로 혼입된 알루미늄-함유 분말을 포함함 -;
    나노-크기 산화세륨의 콜로이드성 용액을 상기 수성 1-파트 슬러리 내로 도입하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
    상기 혼합물을 상기 기재의 표면 상에 적용하여 베이스코트 층을 형성하는 단계; 및
    상기 베이스코트 층을 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 수성 1-파트 슬러리는 아연-함유 분말을 추가로 포함하는, 방법.
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