釕作為一種稀有的貴金屬，在合金添加中的應(yīng)用受到了越來越多的研究和關(guān)注。通過添加適量的釕元素，可以改善合金的性能，提高其機(jī)械性能、耐腐蝕性和耐高溫性能。此外，釕合金還因具有良好的電化學(xué)性能，使其成為電池和電催化劑制備領(lǐng)域的理想材料。本文探討釕在合金添加中的應(yīng)用，并提供有關(guān)其優(yōu)勢和潛在應(yīng)用領(lǐng)域的綜合信息。

一、添加釕的優(yōu)勢

1、提高合金的機(jī)械性能：釕的添加可以增強(qiáng)合金的硬度、強(qiáng)度和韌性。研究表明，適量的釕添加可以改善合金的晶格結(jié)構(gòu)，從而提高其力學(xué)性能。這使得釕合金在航空航天、汽車和電子設(shè)備等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

2、提高合金的耐腐蝕性：釕合金具有出色的抗腐蝕性能。釕的添加可以有效地抑制合金表面的氧化和腐蝕反應(yīng)，從而延長合金的使用壽命。因此，釕合金在化工、海洋和石油行業(yè)等腐蝕環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。

3、提高合金的耐高溫性能：釕合金在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出色。釕的添加可以提高合金的熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性，使其能夠承受更高的溫度。這使得釕合金在航空、能源和熱處理等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

4、優(yōu)秀的電化學(xué)性能：釕合金具有優(yōu)異的電導(dǎo)率和電催化活性。其在電池和電催化劑制備中的應(yīng)用前景巨大。研究表明，釕合金可以用于制備高效能的鋰離子電池、燃料電池和電解水制氫等電化學(xué)設(shè)備。

二、具體應(yīng)用

1、鎳基高溫合金中的應(yīng)用

鎳基高溫合金指的是以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650~1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫合金，是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)高溫葉片和地面燃?xì)廨啓C(jī)葉片的主要材料。隨著發(fā)動機(jī)需求的提升，發(fā)動機(jī)葉片材料的熱腐蝕抗力要求也在逐步提高，因此推動了新合金材料的發(fā)展。隨著添加材料性能改善研究的深入，Ru元素成為劃分第三代和第四代鎳基單晶高溫合金標(biāo)志性元素。研究表明添加Ru可以明顯優(yōu)化鎳基高溫合金組織，降低TCP相析出的傾向，對于提高含Re合金的組織穩(wěn)定性產(chǎn)生良好效果，增加了合金抗蠕變能力和承溫能力，從而改善高溫合金的性能。

根據(jù)中科院和沈工大學(xué)者的研究表明，選用三種Ru含量不同的合金進(jìn)行試驗(yàn)，隨著鎳基單晶合金中Ru含量的增加，固相線溫度升高，初融溫度和液相線溫度先升高后降低，γ'相的析出溫度降低。在固溶熱處理后的組織中，隨著Ru含量的增加，枝晶干和枝晶間處γ相的尺寸均減小。在完全熱處理態(tài)組織中，隨著Ru含量的增加，枝晶干處γ'相的尺寸減小，γ'相的體積分?jǐn)?shù)降低，γ基體通道變窄；枝晶間處γ'相尺寸和γ基體通道寬度均是先略微增加然后大幅減小，而γ'相體積分?jǐn)?shù)則一直降低；合金元素出現(xiàn)明顯的逆分配現(xiàn)象。添加Ru使合金晶格錯配度由正變負(fù)然后變得更負(fù)。Ru 通過改變合金元素在γ和γ'兩相中的分配比而改變合金的γ/γ'兩相晶格錯配度[1.]在1100℃長期時效過程中，隨著Ru含量的增加,γ′相形筏趨勢增加在長期時效過程中，隨著Ru含量的增加，TCP相析出的時間向后推遲。Ru具有明顯的抑制TCP相的作用[2.]。

圖 1 三種合金固溶熱處理后的枝晶干和枝晶間掃描組織；(a)0Ru、(b)2Ru、(c)4Ru

在1150℃/100MPa和1180℃/70MPa條件下的含Ru高溫合金的超高溫蠕變曲線均表現(xiàn)出四個不同的蠕變階段，蠕變速率呈現(xiàn)出先增大再減小，然后再增大的趨勢。隨著Ru含量的增加，合金在1150℃/100MPa和1180℃/70MPa的超高溫低應(yīng)力蠕變壽命顯著提高，特別是含4%的釕合金具有非常突出的超高溫蠕變性能，Ru的添加明顯降低了合金的最小蠕變速率[2.]。雖然釕能大大提高鎳基高溫合金的蠕變能力和抗熱腐蝕能力，但同時還要考慮其他方面的影響及成本問題，才能最終確定合金中的 Ru 含量。

2、碳化鎢鈷系硬質(zhì)合金應(yīng)用

硬質(zhì)合金作為切削材料以來，如何改善硬質(zhì)合金材料硬度高但韌性差這一基本矛盾，一直是行業(yè)內(nèi)的重要研究內(nèi)容。隨著金屬材料技術(shù)的進(jìn)步，金屬零件的可加工性越來越低，因此對于硬質(zhì)合金刀具的要求也越來越高。隨著業(yè)界研究的深入，Ru在硬質(zhì)合金材料中的添加所引起的獨(dú)特性能逐漸引起科研人員的關(guān)注。中鎢高新周紅翠工程師采用WC-30%Co-9%Ru硬質(zhì)合金進(jìn)行試驗(yàn)，圖(a）是WC-Co硬質(zhì)合金的WC晶粒度分布圖，主體WC晶粒度為0.6～3.4µm，還有較多異常長大的WC晶粒，最大為12.2µm，圖(b）是WC-Co-Ru硬質(zhì)合金的WC晶粒度分布圖，主體WC晶粒度為0.5～2.0µm，沒有異常長大的WC晶粒。

圖 2 WC晶粒度分布：（a）WC-Co；（b）WC-Co-Ru

添加Ru之后，在Co中W與C原子分?jǐn)?shù)由5.77提高到22.67，說明Ru的添加會促進(jìn)W元素在Co中的固溶，造成Co相中W與C的嚴(yán)重不對等，影響了WC晶粒的“析出”，阻止了WC晶粒的長大。因此，Ru的添加能夠抑制WC晶粒的長大，并能有效抑制WC晶粒的異常長大。同時試驗(yàn)結(jié)果表面，添加釕元素以后，粘結(jié)相結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，釕會在液相燒結(jié)過程中固溶到粘結(jié)相鈷中，促進(jìn)鈷的亞穩(wěn)態(tài)α-Co向室溫穩(wěn)定態(tài)ε-Co轉(zhuǎn)變。[4.]

3、釬料用鉬釕合金

釬焊變形小、接頭光滑美觀，適用于焊接精密復(fù)雜的構(gòu)件，在航空航天、核能、電子等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。釬焊的核心是釬焊材料，為了適應(yīng)如飛機(jī)渦輪葉片、噴氣發(fā)動機(jī)零件、核工業(yè)零部件、真空系統(tǒng)和管路的釬焊工況，確保釬焊接頭可以承受1000℃以上的工作溫度，稀貴金屬基釬料因熔點(diǎn)高而逐漸成為高溫釬焊體系中較前沿和最具開發(fā)潛力的釬料。

鉬基合金釬料熔點(diǎn)一般高達(dá)1900℃以上，對鎢、鉬、錸等高熔點(diǎn)合金母材具有較小的高溫滲透性，潤濕性和鋪展性較好，釬焊過程中可以封閉空氣、充實(shí)釬縫，實(shí)現(xiàn)牢固鏈接，但其缺點(diǎn)在于低溫脆性和高溫抗氧化能力較差。為了提高鉬基合金的可加工性和高溫穩(wěn)定性，國外從20世紀(jì)50年代開始了對鉬釕釬料的研究。通過研究表明，鉬釕合金釬料因釕加入，提高了釬料的高溫穩(wěn)定性和釬焊質(zhì)量。

重慶材料研究院自2020年開展鉬釕合金釬料研究，目前已經(jīng)研制出粒度為43μm的Mo-43%Ru合金釬料粉體，鉬釕元素成分達(dá)到共晶點(diǎn)，粒度較小。利用合金粉體壓制燒結(jié)出來的鉬釕合金坯條也具有較好的性能，致密度達(dá)到90%以上，已能夠制備出釬料絲材，但存在斷絲問題。

圖 3 Mo-43%Ru合金釬料粉體形貌

目前我國鉬釕合金釬料研究整體水平落后于國外，主要以鉬釕合金粉末釬料為主，而粉末釬料不利于真空器件焊接時對于定位精度、釬焊質(zhì)量、抑制釬劑飛濺等情況的控制，因此發(fā)展鉬釕合金絲材或片材是該領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。又由于鉬釕合金熔點(diǎn)高、難以熱軋加工、成本昂貴等原因，目前鉬釕合金絲/片材釬料主要依靠進(jìn)口。[5.]

4、鉑釕合金

鉑釕合金是鉑基含釕的二元合金，有PtRu4，PtRu5，PtRul0和PtRu14等合金牌號。添加釕可以大大提高抗王水和新生態(tài)氯氣腐蝕能力和抗變色能力，在900℃以上釕選擇性地氧化和揮發(fā),因此常被用作中等和重負(fù)荷電接點(diǎn)，牌號PtRul0也常用作電位器繞組材料。

鉑釕合金主要是作為催化劑使用，如鉑釕合金高效電催化苯甲酸衍生物加氫。

由苯甲酸及其衍生物制備精細(xì)化學(xué)品、醫(yī)藥中間體、工業(yè)原料等下游產(chǎn)品已受到廣泛關(guān)注。例如，苯甲酸選擇性加氫得到的環(huán)己甲酸是制備吡喹酮、己內(nèi)酰胺、三聯(lián)胺等藥物必不可少的有機(jī)中間體，也是工業(yè)生產(chǎn)尼龍的重要步驟。大連理工大學(xué)梁長海教授和陳霄副教授團(tuán)隊(duì)采用共電沉積方法，制備了負(fù)載型鉑釕雙金屬催化劑用于苯甲酸電催化加氫制環(huán)己甲酸。

圖 4 PtRu合金電催化苯甲酸加氫制環(huán)己甲酸示意圖

圖 5 (a) Pt(111)和PtRu(111)的不同吸附構(gòu)型和吸附能。(b) Pt(111)和(c) PtRu(111)吸附苯甲酸的差分電荷密度圖。

圖4研究表征結(jié)果表明，共電沉積法制備的鉑釕雙金屬催化劑為合金相，鉑和釕之間存在電子轉(zhuǎn)移，并且性能最優(yōu)的PtRu/CP-4催化劑呈明顯規(guī)則的納米團(tuán)簇，具有合適的直徑和最窄的粒徑分布，將碳纖維完全包裹。合金納米團(tuán)簇能夠均勻錨定在碳纖維表面，為捕獲底物分子提供更多的活性位點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)也保證了高效的電子傳輸和活性組分的高度分散，從而減少團(tuán)聚。驗(yàn)證出鉑釕合金催化劑優(yōu)異的穩(wěn)定性和電催化苯甲酸衍生物芳環(huán)加氫的普適性。此外，質(zhì)子交換膜反應(yīng)器的使用驗(yàn)證了通過電合成方法大規(guī)模生產(chǎn)增值化學(xué)品的潛力[6.]。

總的來說，釕作為一種稀有的貴金屬，具有重要的應(yīng)用潛力。通過添加適量的釕元素，可以顯著改善合金的性能，提高其機(jī)械性能、耐腐蝕性和耐高溫性能。此外，釕合金還具有出色的電化學(xué)性能，可用于制備高效能的電池和電催化劑。因此，釕在合金添加中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景，值得進(jìn)一步研究和探索。

參考文獻(xiàn)