CN111519133B - 一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述Ti材料基材上覆盖有一层与基材具有良好结合性的抗氧化Ti‑Ru合金涂层，所述Ti‑Ru合金涂层中Ru之含量为5~40wt%，涂层厚度为1~20μm；所述的制备方法包括基材前处理、基材清洗、靶材清洗，涂层溅射成形工序，获得所需具有Ti‑Ru合金涂层的Ti材料。本发明具有Ti‑Ru合金涂层的Ti材料，在升温过程中，由于涂层抗氧化且未生成氧化物，因此具有良好的冶金结合和较小的界面应力，增强了Ti材料整体的抗氧化性能。本发明方法可广泛用于金属材料表面功能涂层的制备，以获得表层性能优异的金属材料。
Description
技术领域
本发明属于金属表面改性技术领域，进一步属于金属表面涂层技术领域，具体涉及一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料及其制备方法。
背景技术
Ti材料因其低密度、高比强度、优异的抗腐蚀性、耐高温、无磁性、生物相容性好等特点，在航空航天、海洋工程、石油化工、医疗、体育运动器具等领域的应用日益广泛。常温下，Ti材料表面在室温下可形成一层致密的纳米级别厚度的氧化层，有效的防止了其进一步氧化。但是，随着温度的升高，Ti材料表面的氧化层不断增厚，由于氧化层与钛基体热膨胀系数差异，容易造成氧化层剥落，从而形成氧化-剥落-再氧化-再剥落的恶性循环效应，最终导致Ti构件失效。对Ti材料进行表面改性以增强其抗氧化性成为该领域的一个研究热点。
涂层表面组成对其性能具有重要影响，为达到改善Ti材料抗氧化性的目的，设计并制备新型抗氧化涂层是目前的一个研究热点。
中国专利CN105331973A，公开日2016年2月17日，发明创造的名称为一种钛合金表面制备高Nb钛铝基合金抗氧化涂层的方法。该申请案公开了一种在钛合金表面制备高Nb钛铝基合金抗氧化涂层的方法。该方法是利用激光束作用下Ti-Al-Nb混合元素粉末之间的原位合成反应及热处理，在钛合金表面制备高Nb钛铝基合金涂层。涂层制备步骤包括：钛合金表面预处理、粉末配制及球磨、粉末预置、粉末激光烧结、涂层热处理、抗氧化性能测试及显微组织分析七个部分。该发明提供了一种周期短、综合成本低、柔性化程度高的涂层制备方法；该方法能在不大幅度影响合金涂层高温抗氧化性能的前提下，对涂层成分配比进行灵活调整，得到致密度高、厚度均匀、抗氧化性能优良的高Nb钛铝基合金双相涂层。其不足之处在于该方法主要是仅考虑了获得表面抗氧化性的Ti3Al+γ-TiAl双相结构的涂层来提高Ti合金的抗氧化性，但是获得的双相结构均为脆性的金属间化合物，在服役过程中容易开裂而造成涂层早期失效。
中国专利CN110184600A，公开日2019年8月30日，发明创造的名称为钛合金表面低应力高温抗氧化涂层的制备方法。该申请案公开了一种钛合金表面低应力高温抗氧化涂层的制备方法：在钛合金表面铺覆Al/Ti/TiBCN涂层材料并激光扫描熔覆得到高温抗氧化涂层，再次激光扫描处理得到重熔高温抗氧化涂层，从而细化涂层组织，获得均匀的表面残余应力；然后对重熔高温抗氧化涂层进行真空扩散热处理和强流脉冲电子束（HCPEB）二次重熔处理，降低涂层内应力，获得低应力高温抗氧化Al/Ti/TiBCN复合涂层。该方法的不足之处在于，首先涂层成分复杂，需要采用Al、Ti、TiBCN三种粉末进行混合并经过多次高温处理制备，同时该发明未指明最终得到的产物相组成；其次，制备工艺复杂，需要采用两次激光熔覆处理，真空热处理及HCPEB处理，成本高，耗时较长。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料。
本发明的另一目的在于提供一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料制备方法。
本发明的第一目的是这样实现的，所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，所述Ti材料基材上覆盖有与一层与基材具有良好结合性的Ti-Ru合金抗氧化涂层，所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为5~40wt%，所述Ti-Ru合金涂层之厚度为1~20μm，所述的Ti材料为工业纯Ti或者Ti合金。
本发明的另一目的是这样实现的，所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料的方法，包括基材前处理、基材清洗、靶材清洗，涂层溅射成形工序，具体包括：
①基材前处理：对Ti材料进行机械抛光处理，并采用丙酮或无水酒精超声清洗3～10min，随后在真空条件下对Ti材料进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的Ti材料基材，Ti材料基材退火处理的温度为700~900℃，处理时间为1~4h，真空度为1×10-3~1×10- 4Pa；
②基材清洗：将步骤①处理好的Ti材料基材用清洗剂超声清洗3～10min并烘干；
③靶材清洗：将烘干后的具有均匀微观结构的Ti材料基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti材料基材表面中心与Ti靶和Ru靶表面中心距离相等，距离为30～60mm；Ti靶材和Ru靶的纯度均不低于为99.95wt％，Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1×10-3Pa后，随即对Ti材料基材进行加热，待基体温度升至25~400℃，再通入Ar气，气压调节至0.5～2Pa，用挡板隔开基材，两个溅射源功率调节为20～100W，对靶材进行溅射清洗3~10min；
④涂层溅射成形：溅射清洗后，调节Ar气压至0.8～6Pa，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至180～300W，调节Ru靶所用射频溅射源系统功率至30～100W，移开挡板，进行Ti靶和Ru靶的共溅射，溅射时间为0.5～5h，获得所需Ti-Ru合金涂层。
本发明具有Ti-Ru合金涂层的Ti材料，以Ti材料为基体，Ti-Ru合金涂层与基体具有良好冶金结合，有效地避免了涂层与基体的热膨胀系数差异而造成的界面应力从而抑制开裂倾向；其次，Ti-Ru合金涂层中添加的Ru为铂族金属元素，具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性，在升温的过程中涂层中的Ru进一步固溶到Ti中，增强了Ti的抗氧化性，抑制了Ti的氧化。由于升温过程中未形成氧化物，涂层与基体保持了良好的冶金结合和较小的界面应力，从而增强了Ti材料整体的抗氧化性能。这种涂层有效改善涂层与金属基体之间界面应力、提高了涂层与基体的结合，从而使Ti材料的抗氧化性能得到明显提高，本方法可广泛用于金属材料表面功能涂层的制备，以获得表层性能优异的金属材料。
附图说明
图1实验例1和对比例1中工业纯Ti溅射涂层后的XRD图谱；
图2实验例1和对比例1中工业纯Ti溅射涂层及450℃热处理后的XRD图谱；
图3实验例1和对比例1中工业纯Ti的SEM相，a-b：工业纯Ti溅射Ti-Ru涂层后；c-d：工业纯Ti溅射Ti涂层后；e-f：工业纯Ti溅射Ti-Ru涂层及450℃热处理后；g-h：工业纯Ti溅射Ti涂层及450℃热处理后；
图4实验例1和对比例1中工业纯Ti的Raman光谱相。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，所述Ti材料基材上覆盖有一层与Ti材料基材具有良好结合性的抗氧化涂层Ti-Ru合金涂层，所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为5~40wt%。
所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为10~30wt%。
所述Ti-Ru合金涂层之厚度为1~20μm。
所述的Ti材料为工业纯Ti或者Ti合金。
本发明所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料的方法，包括基材前处理、基材清洗、靶材清洗，涂层溅射成形工序，具体包括：
①基材前处理：对Ti材料进行机械抛光处理，并采用丙酮或无水酒精超声清洗3～10min，随后在真空条件下对Ti材料进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的Ti材料基材；
②基材清洗：将步骤①处理好的Ti材料基材用清洗剂超声清洗3～10min并烘干；
③靶材清洗：将烘干后的具有均匀微观结构的Ti材料基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti材料基材表面中心与Ti靶和Ru靶表面中心距离相等，距离为30～60mm；Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1×10-3Pa后，随即对Ti材料基材进行加热，待基体温度升至25~400℃，再通入Ar气，用挡板隔开基材，对靶材进行溅射清洗3~10min；
④涂层溅射成形：溅射清洗后，调节Ar气压至0.8～6Pa，分别调节Ti靶和Ru靶所用溅射源系统至所需功率，移开挡板，进行Ti靶和Ru靶的共溅射，溅射时间为0.5～5h，获得所需Ti-Ru合金涂层的Ti材料。
所述①工序中，Ti金属基材退火处理的温度为700~900℃，处理时间为1~4h，真空度为1×10-3~1×10-4Pa。
所述②工序中，所述清洗剂为盐酸、硫酸或者硝酸之任一种，其浓度为3~10wt%。
所述③工序中，所述Ti靶材和Ru靶的纯度纯度均不低于99.95wt％。
所述③工序中，待Ti金属基材温度升至25~400℃，再通入Ar气，气压调节至0.5～2Pa，用挡板隔开基材，两个溅射源功率调节为20～100W，进行靶材的溅射清洗。
所述④工序共溅射过程中，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至180～300W，调节Ru靶所用射频溅射源系统功率至30～100W，即通过两个溅射源功率的不同配比及溅射时间的调整，得到具有不同Ti-Ru比例、不同厚度的合金涂层，即其中Ti-Ru合金涂层之厚度为1~20μm，Ru之含量为5~40wt%。
实验例1
（1）对工业纯Ti(TA2)进行机械抛光处理并采用丙酮超声清洗3min，随后在真空条件下对工业纯Ti进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的工业纯Ti，退火处理的温度为700℃，处理时间为1h，真空度为1x10-3Pa；
（2）将步骤（1）处理好的工业纯Ti采用3wt%的稀盐酸超声清洗3min并烘干；
（3）将烘干后的Ti材料基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti材料基材表面中心与Ti靶和Ru靶表面中心距离相等，距离为30mm；采用双磁控溅射源系统，Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1x10-3Pa，随后开始对工业纯Ti基体进行加热，待加热至100℃后，通入Ar气，气压调节至0.5Pa，用挡板隔开基材，Ti靶采用的直流溅射源功率调节为50W，Ru靶采用的射频溅射源系统功率调节为30W，对纯度为99.99wt％的Ru靶和纯度为99.95wt％的Ti靶进行溅射清洗3min；
（4）溅射清洗后，调节气压至2Pa，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至200W，调节Ru靶所用射频溅射源系统功率至40W，移开挡板，进行Ti靶和Ru靶的共溅射，共溅射时间为1h；溅射完毕后，待溅射室冷却至室温后取出试样，获得所需涂层。
将马弗炉升温至450℃后，再将涂层样品放入进行1h的热处理，待1h后，取出空冷并采用XRD、Raman、SEM等分析手段对涂层进行分析。
共溅射处理后获得的Ti-Ru涂层中含Ru为11.2wt%，涂层厚度为1.8μm。从图1中可见，在溅射Ti-Ru涂层后，涂层表面主要由αTi、fccTi和Ru组成；从图2中可见，在450℃热处理后，Ru物相消失，表面仅有αTi、fccTi两相，表明此时Ru已经固溶到Ti中；从图3a、b可看出，在溅射Ti-Ru涂层后，表面呈颗粒状，致密无开裂；图3e、f显示，在450℃热处理后，Ti-Ru涂层保持其完整性，而且更加致密；图4中可看出，无论溅射态或者氧化态，溅射Ti-Ru涂层的样品表面均无Raman峰出现，进一步证明了其未发生氧化。
对比例1
单溅射Ti涂层，关闭Ru靶所在的射频溅射源系统，其余工艺条件与实验例1相同，即：
（1）对工业纯Ti(TA2)进行机械抛光处理并采用丙酮超声清洗3min，随后在真空条件下对工业纯Ti进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的工业纯Ti，退火处理的温度为700℃，处理时间为1h，真空度为1x10-3Pa；
（2）将步骤（1）处理好的工业纯Ti采用3wt%的稀盐酸超声清洗3min并烘干；
（3）将烘干后的Ti材料基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti材料基材表面中心与Ti靶和Ru靶表面中心距离相等，距离为30mm；采用双磁控溅射源系统，关闭Ru靶所在的射频溅射源系统，Ti靶采用直流溅射源系统；抽真空至1x10-3Pa，随后开始对工业纯Ti基体进行加热，待加热至100℃后，通入Ar气，气压调节至0.5Pa，用挡板隔开基材，Ti靶采用的直流溅射源功率调节为50W，对纯度为99.95wt％的Ti靶进行溅射清洗3min；
（4）溅射清洗后，调节气压至2Pa，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至200W，移开挡板，进行Ti靶的溅射，溅射时间为1h；溅射完毕后，待溅射室冷却至室温后取出试样，获得所需涂层。
将马弗炉升温至450℃后，再将涂层样品放入进行1h的热处理，待1h后，取出空冷并采用XRD、Raman、SEM等分析手段对涂层进行分析。
从图1中可见，在溅射Ti涂层后，涂层表面主要由αTi和fccTi组成；从图2中可见，在450℃热处理后，涂层除了αTi、fccTi的峰之外，还出现了TiO和金红石型TiO2的峰，表明纯Ti涂层的易氧化性；从图3c、d可看出，在溅射Ti涂层后，表面颗粒相对更不均匀；图3g、h显示，在在450℃热处理后，Ti涂层表面已经发生了大面积的剥落，这主要是由于氧化层与基体热膨胀系数差异造成；图4中可看出，溅射态Ti涂层表面无Raman峰，而氧化后，溅射Ti涂层的样品表面出现了TiO和金红石型TiO2的峰Raman峰，其结果与XRD相吻合，进一步证明了其表面发生了氧化，与实验例1具有明显差异。
实施例1
基体为以工业纯Ti(TA0)，制备具有良好结合性的抗氧化涂层Ti-Ru合金涂层的Ti材料，首先对工业纯Ti进行机械抛光处理，并采用无水酒精超声清洗3min，随后在真空度1×10-3Pa条件下，对工业纯Ti进行再结晶退火，退火温度控制在700℃，处理4h，获得具有均匀微观结构的工业纯Ti基材；然后，将工业纯Ti用浓度为3wt%稀硫酸超声清洗10min并烘干；再将烘干后的工业纯Ti基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，工业纯Ti基材表面中心与Ti靶材（纯度99.99wt%）和Ru靶材（纯度99.99wt%）表面中心距离相等，距离为30mm；Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1×10-3Pa后，随即对工业纯Ti基材进行加热，待基体温度升至25℃，再通入Ar气，气压控制在0.5Pa，用挡板隔开基材，两个溅射源均调整至功率20W进行溅射清洗10min；再调节Ar气压至5Pa，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至300W，调节Ru靶所用射频溅射源系统功率至50W，移开挡板，进行Ti靶和Ru靶的共溅射5h，获得所需的具有良好结合性的抗氧化Ti-Ru合金涂层的工业纯Ti材料，其中涂层中Ru含量9.5wt%，涂层厚度20μm。
实施例2
基体为Ti6Al4V合金，制备具有良好结合性的抗氧化涂层Ti-Ru合金涂层的Ti6Al4V合金，首先对Ti6Al4V合金进行机械抛光处理，并采用丙酮超声清洗10min，随后在真空度1×10-4Pa条件下，对Ti6Al4V合金进行再结晶退火，退火温度控制在900℃，处理1h，获得具有均匀微观结构的Ti6Al4V合金；然后，将Ti6Al4V合金用浓度为10wt%稀硝酸超声清洗3min并烘干；再将烘干后的Ti6Al4V合金基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti6Al4V合金基材表面中心与Ti靶材（纯度99.995wt%）和Ru靶材（纯度99.995wt%）表面中心距离相等，距离为60mm；采用双磁控溅射源系统，Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1×10-3Pa后，随即对Ti6Al4V合金基材进行加热，待基体温度升至400℃，再通入Ar气，Ar气压控制在2.0Pa，用挡板隔开基材，两个溅射源均调整至功率100W进行溅射清洗3min；再调节Ar气压至6Pa，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至200W，调节Ru靶所用射频溅射源系统功率至100W，移开挡板，进行Ti靶和Ru靶的共溅射0.5h，获得所需的具有良好结合性的抗氧化Ti-Ru合金涂层的Ti6Al4V合金，其中涂层中Ru含量38.6wt%，涂层厚度1μm。
实施例3
基体为含Nb10wt%的Ti-Nb合金，制备具有良好结合性的抗氧化涂层Ti-Ru合金涂层的Ti-Nb合金，首先对Ti-Nb合金进行机械抛光处理，并采用丙酮超声清洗8min，随后在真空度5×10-4Pa条件下，对Ti-Nb合金进行再结晶退火，退火温度控制在800℃，处理2h，获得具有均匀微观结构的Ti-Nb合金；然后，将含Ti-Nb合金用浓度为5wt%稀盐酸，超声清洗5min并烘干；再将烘干后的Ti-Nb合金基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti-Nb合金表面中心与Ti靶材（纯度99.99wt%）和Ru靶材（纯度99.999wt%）表面中心距离相等，距离为40mm；采用双磁控溅射源系统，Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1×10-3Pa后，随即对Ti-Nb合金基材进行加热，待基体温度升至300℃，再通入Ar气，Ar气压控制在1.0Pa，用挡板隔开基材，Ti靶材溅射功率调整为80W，Ru靶功率调整为50W，进行溅射清洗5min；再调节Ar气压至4Pa，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至240W，调节Ru靶所用射频溅射源系统功率至80W，移开挡板，进行Ti靶和Ru靶的共溅射2.5h，获得所需的具有良好结合性的抗氧化Ti-Ru合金涂层的Ti-Nb合金，其中涂层中Ru含量28.3wt%，涂层厚度10μm。
实施例4
基体为含Ta25wt%的Ti-Ta合金，制备具有良好结合性的抗氧化涂层Ti-Ru合金涂层的Ti-Ta合金，首先对Ti-Ta合金进行机械抛光处理，并采用丙酮超声清洗5min，随后在真空度8×10-4Pa条件下，对Ti金属进行再结晶退火，退火温度控制在750℃，处理1.5h，获得具有均匀微观结构的Ti-Ta合金；然后，将Ti-Ta合金用浓度为8wt%稀盐酸，超声清洗7min并烘干；再将烘干后的Ti-Ta合金基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti-Ta合金基材表面中心与Ti靶材（纯度99.99wt%）和Ru靶材（纯度99.98%）表面中心距离相等，距离为50mm；采用双磁控溅射源系统，Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1×10-3Pa后，随即对Ti-Ta合金基材进行加热，待基体温度升至100℃，再通入Ar气，Ar气压控制在1.5Pa。隔开基材，用挡板隔开基材，两个溅射源功率均调整至50W进行溅射清洗8min；再调节Ar气压至0.8Pa，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至180W，调节Ru靶所用射频溅射源系统功率至30W，移开挡板，移开挡板，进行Ti靶和Ru靶的共溅射1.5h，获得所需的具有良好结合性的抗氧化Ti-Ru合金涂层的Ti-Ta合金，其中涂层中Ru含量6.6wt%，涂层厚度5μm。
Claims (8)
1.一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述Ti材料基材上覆盖有一层与基材具有良好结合性的抗氧化Ti-Ru合金涂层，所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为5~40wt%；所述Ti-Ru合金涂层之厚度为1~20μm；所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料由下列基材前处理、基材清洗、靶材清洗，涂层溅射成形工序制备而成：
①基材前处理：对Ti材料进行机械抛光处理，并采用丙酮或无水酒精超声清洗3～10min，随后在真空条件下对Ti材料进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的Ti材料基材；
②基材清洗：将步骤①处理好的Ti材料基材用清洗剂超声清洗3～10min并烘干；
③靶材清洗：将烘干后的具有均匀微观结构的Ti材料基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti材料基材表面中心与Ti靶和Ru靶表面中心距离相等，距离为30～60mm；Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1×10-3Pa后，随即对Ti材料基材进行加热，待基体温度升至25~400℃，再通入Ar气，用挡板隔开基材，对靶材进行溅射清洗3~10min；
④涂层溅射成形：溅射清洗后，调节Ar气压至0.8～6Pa，分别调节Ti靶和Ru靶所用溅射源系统至所需功率，移开挡板，进行Ti靶和Ru靶的共溅射0.5～5h，获得所需Ti-Ru合金涂层的Ti材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为10~30wt%。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述的Ti材料为工业纯Ti或者Ti合金。
4.根据权利要求1或2所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述Ti靶和Ru靶的纯度均不低于99.95wt％。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述①工序中，Ti材料基材退火处理的温度为700~900℃，处理时间为1~4h，真空度为1×10-3~1×10-4Pa。
6.根据权利要求1或2所述的一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于②工序中，所述清洗剂可为盐酸、硫酸或者硝酸之任一种，其浓度为3~10wt%。
7.根据权利要求1或2所述的一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于③工序中，待Ti基材温度升至25~400℃，再通入Ar气，气压调节至0.5～2Pa，用挡板隔开基材，两个溅射源功率调节为20～100W，进行靶材的溅射清洗。
8.根据权利要求1或2所述的一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述④工序共溅射过程中，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至180～300W，调节Ru靶所用射频溅射源系统功率至30～100W，即通过两个溅射源功率的不同配比及溅射时间的调整，得到具有不同Ti-Ru比例、不同厚度的合金涂层，即其中Ti-Ru合金涂层之厚度为1~20μm，Ru之含量为5~40wt%。
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