钌作为一种稀有的贵金属，在合金添加中的应用受到了越来越多的研究和关注。通过添加适量的钌元素，可以改善合金的性能，提高其机械性能、耐腐蚀性和耐高温性能。此外，钌合金还因具有良好的电化学性能，使其成为电池和电催化剂制备领域的理想材料。本文探讨钌在合金添加中的应用，并提供有关其优势和潜在应用领域的综合信息。

一、添加钌的优势

1、提高合金的机械性能：钌的添加可以增强合金的硬度、强度和韧性。研究表明，适量的钌添加可以改善合金的晶格结构，从而提高其力学性能。这使得钌合金在航空航天、汽车和电子设备等领域中得到广泛应用。

2、提高合金的耐腐蚀性：钌合金具有出色的抗腐蚀性能。钌的添加可以有效地抑制合金表面的氧化和腐蚀反应，从而延长合金的使用寿命。因此，钌合金在化工、海洋和石油行业等腐蚀环境中得到广泛应用。

3、提高合金的耐高温性能：钌合金在高温环境下表现出色。钌的添加可以提高合金的熔点和热稳定性，使其能够承受更高的温度。这使得钌合金在航空、能源和热处理等领域中具有广泛的应用前景。

4、优秀的电化学性能：钌合金具有优异的电导率和电催化活性。其在电池和电催化剂制备中的应用前景巨大。研究表明，钌合金可以用于制备高效能的锂离子电池、燃料电池和电解水制氢等电化学设备。

二、具体应用

1、镍基高温合金中的应用

镍基高温合金指的是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金，是先进航空发动机高温叶片和地面燃气轮机叶片的主要材料。随着发动机需求的提升，发动机叶片材料的热腐蚀抗力要求也在逐步提高，因此推动了新合金材料的发展。随着添加材料性能改善研究的深入，Ru元素成为划分第三代和第四代镍基单晶高温合金标志性元素。研究表明添加Ru可以明显优化镍基高温合金组织，降低TCP相析出的倾向，对于提高含Re合金的组织稳定性产生良好效果，增加了合金抗蠕变能力和承温能力，从而改善高温合金的性能。

根据中科院和沈工大学者的研究表明，选用三种Ru含量不同的合金进行试验，随着镍基单晶合金中Ru含量的增加，固相线温度升高，初融温度和液相线温度先升高后降低，γ'相的析出温度降低。在固溶热处理后的组织中，随着Ru含量的增加，枝晶干和枝晶间处γ相的尺寸均减小。在完全热处理态组织中，随着Ru含量的增加，枝晶干处γ'相的尺寸减小，γ'相的体积分数降低，γ基体通道变窄；枝晶间处γ'相尺寸和γ基体通道宽度均是先略微增加然后大幅减小，而γ'相体积分数则一直降低；合金元素出现明显的逆分配现象。添加Ru使合金晶格错配度由正变负然后变得更负。Ru 通过改变合金元素在γ和γ'两相中的分配比而改变合金的γ/γ'两相晶格错配度[1.]在1100℃长期时效过程中，随着Ru含量的增加,γ′相形筏趋势增加在长期时效过程中，随着Ru含量的增加，TCP相析出的时间向后推迟。Ru具有明显的抑制TCP相的作用[2.]。

图 1 三种合金固溶热处理后的枝晶干和枝晶间扫描组织；(a)0Ru、(b)2Ru、(c)4Ru

在1150℃/100MPa和1180℃/70MPa条件下的含Ru高温合金的超高温蠕变曲线均表现出四个不同的蠕变阶段，蠕变速率呈现出先增大再减小，然后再增大的趋势。随着Ru含量的增加，合金在1150℃/100MPa和1180℃/70MPa的超高温低应力蠕变寿命显著提高，特别是含4%的钌合金具有非常突出的超高温蠕变性能，Ru的添加明显降低了合金的最小蠕变速率[2.]。虽然钌能大大提高镍基高温合金的蠕变能力和抗热腐蚀能力，但同时还要考虑其他方面的影响及成本问题，才能最终确定合金中的 Ru 含量。

2、碳化钨钴系硬质合金应用

硬质合金作为切削材料以来，如何改善硬质合金材料硬度高但韧性差这一基本矛盾，一直是行业内的重要研究内容。随着金属材料技术的进步，金属零件的可加工性越来越低，因此对于硬质合金刀具的要求也越来越高。随着业界研究的深入，Ru在硬质合金材料中的添加所引起的独特性能逐渐引起科研人员的关注。中钨高新周红翠工程师采用WC-30%Co-9%Ru硬质合金进行试验，图(a）是WC-Co硬质合金的WC晶粒度分布图，主体WC晶粒度为0.6～3.4µm，还有较多异常长大的WC晶粒，最大为12.2µm，图(b）是WC-Co-Ru硬质合金的WC晶粒度分布图，主体WC晶粒度为0.5～2.0µm，没有异常长大的WC晶粒。

图 2 WC晶粒度分布：（a）WC-Co；（b）WC-Co-Ru

添加Ru之后，在Co中W与C原子分数由5.77提高到22.67，说明Ru的添加会促进W元素在Co中的固溶，造成Co相中W与C的严重不对等，影响了WC晶粒的“析出”，阻止了WC晶粒的长大。因此，Ru的添加能够抑制WC晶粒的长大，并能有效抑制WC晶粒的异常长大。同时试验结果表面，添加钌元素以后，粘结相结构会发生变化，钌会在液相烧结过程中固溶到粘结相钴中，促进钴的亚稳态α-Co向室温稳定态ε-Co转变。[4.]

3、钎料用钼钌合金

钎焊变形小、接头光滑美观，适用于焊接精密复杂的构件，在航空航天、核能、电子等领域有着广泛应用。钎焊的核心是钎焊材料，为了适应如飞机涡轮叶片、喷气发动机零件、核工业零部件、真空系统和管路的钎焊工况，确保钎焊接头可以承受1000℃以上的工作温度，稀贵金属基钎料因熔点高而逐渐成为高温钎焊体系中较前沿和最具开发潜力的钎料。

钼基合金钎料熔点一般高达1900℃以上，对钨、钼、铼等高熔点合金母材具有较小的高温渗透性，润湿性和铺展性较好，钎焊过程中可以封闭空气、充实钎缝，实现牢固链接，但其缺点在于低温脆性和高温抗氧化能力较差。为了提高钼基合金的可加工性和高温稳定性，国外从20世纪50年代开始了对钼钌钎料的研究。通过研究表明，钼钌合金钎料因钌加入，提高了钎料的高温稳定性和钎焊质量。

重庆材料研究院自2020年开展钼钌合金钎料研究，目前已经研制出粒度为43μm的Mo-43%Ru合金钎料粉体，钼钌元素成分达到共晶点，粒度较小。利用合金粉体压制烧结出来的钼钌合金坯条也具有较好的性能，致密度达到90%以上，已能够制备出钎料丝材，但存在断丝问题。

图 3 Mo-43%Ru合金钎料粉体形貌

目前我国钼钌合金钎料研究整体水平落后于国外，主要以钼钌合金粉末钎料为主，而粉末钎料不利于真空器件焊接时对于定位精度、钎焊质量、抑制钎剂飞溅等情况的控制，因此发展钼钌合金丝材或片材是该领域的主要发展方向。又由于钼钌合金熔点高、难以热轧加工、成本昂贵等原因，目前钼钌合金丝/片材钎料主要依靠进口。[5.]

4、铂钌合金

铂钌合金是铂基含钌的二元合金，有PtRu4，PtRu5，PtRul0和PtRu14等合金牌号。添加钌可以大大提高抗王水和新生态氯气腐蚀能力和抗变色能力，在900℃以上钌选择性地氧化和挥发,因此常被用作中等和重负荷电接点，牌号PtRul0也常用作电位器绕组材料。

铂钌合金主要是作为催化剂使用，如铂钌合金高效电催化苯甲酸衍生物加氢。

由苯甲酸及其衍生物制备精细化学品、医药中间体、工业原料等下游产品已受到广泛关注。例如，苯甲酸选择性加氢得到的环己甲酸是制备吡喹酮、己内酰胺、三联胺等药物必不可少的有机中间体，也是工业生产尼龙的重要步骤。大连理工大学梁长海教授和陈霄副教授团队采用共电沉积方法，制备了负载型铂钌双金属催化剂用于苯甲酸电催化加氢制环己甲酸。

图 4 PtRu合金电催化苯甲酸加氢制环己甲酸示意图

图 5 (a) Pt(111)和PtRu(111)的不同吸附构型和吸附能。(b) Pt(111)和(c) PtRu(111)吸附苯甲酸的差分电荷密度图。

图4研究表征结果表明，共电沉积法制备的铂钌双金属催化剂为合金相，铂和钌之间存在电子转移，并且性能最优的PtRu/CP-4催化剂呈明显规则的纳米团簇，具有合适的直径和最窄的粒径分布，将碳纤维完全包裹。合金纳米团簇能够均匀锚定在碳纤维表面，为捕获底物分子提供更多的活性位点，这种结构也保证了高效的电子传输和活性组分的高度分散，从而减少团聚。验证出铂钌合金催化剂优异的稳定性和电催化苯甲酸衍生物芳环加氢的普适性。此外，质子交换膜反应器的使用验证了通过电合成方法大规模生产增值化学品的潜力[6.]。

总的来说，钌作为一种稀有的贵金属，具有重要的应用潜力。通过添加适量的钌元素，可以显著改善合金的性能，提高其机械性能、耐腐蚀性和耐高温性能。此外，钌合金还具有出色的电化学性能，可用于制备高效能的电池和电催化剂。因此，钌在合金添加中的应用具有广阔的发展前景，值得进一步研究和探索。

参考文献