鈦合金是一類由鈦（Titanium，化學符號 Ti）與其他金屬元素合金化而成的一類金屬合金。鈦與其他金屬元素的合金化使得鈦不僅可以提高其力學性能，還可以改善其物理特性以更好地適應不同的實際需求[1]。鈦合金具有高強度、低彈性模量、優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的生物相容性等特點，在化工和醫(yī)藥領域得到了廣泛應用[2，3]。在化工領域，鈦合金常被選用于石油和天然氣開采、燃料電池、海水淡化、制造化工設備、管道和反應器，尤其在處理酸、堿、氧化物等腐蝕性介質(zhì)時表現(xiàn)出色。此外，鈦合金還被廣泛應用于制造化工閥門、泵和電解槽等設備，為化工生產(chǎn)提供了可靠的材料基礎。在醫(yī)藥領域，由于鈦合金具有良好的生物相容性，因此，被廣泛用于制造骨科植入物，如人工髖關(guān)節(jié)和牙科植入物。此外，鈦合金在藥物釋放動力學等方面也發(fā)揮了重要作用，廣泛涉及藥物輸送系統(tǒng)的設計和優(yōu)化。通過將鈦合金納入藥物輸送系統(tǒng)的構(gòu)建，成功實現(xiàn)了對藥物釋放速率和方式的精準調(diào)控。這一創(chuàng)新性應用為醫(yī)學科研和治療提供了更為高效和前沿的選擇。本文主要從鈦合金材料在化工與醫(yī)藥兩大領域的應用進行詳細闡述，為鈦合金材料在化工與醫(yī)藥領域的應用和發(fā)展提供參考。

1、 金屬材料鈦合金在化工領域的應用

1.1 在石油工業(yè)方面的應用

在深水、高溫高壓、高腐蝕等油氣勘探逐漸向非常規(guī)油氣資源擴展的趨勢下，傳統(tǒng)油井管材無法滿足這些極端的使用條件。因此，鈦合金油井管備受關(guān)注。鈦合金因其比強度高、耐腐蝕性強、彈性模量低、易于冷成型、抗海水侵蝕等特性，特別是能夠有效解決油井管道在惡劣工況下發(fā)生腐蝕失效的問題，使其成為在深井、超深井、短半徑水平井和高酸油氣井等極端環(huán)境中應用的理想選擇[4]。這使得鈦合金油井管成為支撐非常規(guī)油氣資源勘探和開發(fā)的強大工具。

楊彪等人[5]發(fā)現(xiàn)通過采用鈦合金油井管，不僅能夠大幅度減輕油井管的總質(zhì)量，降低開采機構(gòu)負荷，同時鈦合金的焊接性能優(yōu)異，在高溫高壓環(huán)境下適應性好。而且鈦合金油井管還具有很高的經(jīng)濟性，這些對于深水勘探和生產(chǎn)等應用場景具有重要的實際意義。此外，鈦合金可以用于制作在特殊工藝開采的油井中需要的鉆桿和油套管。鈦合金鉆桿具有較高的柔韌性、較小的結(jié)構(gòu)強度、較強的抗疲勞性、優(yōu)越的抗腐蝕性以及較輕巧的質(zhì)量等優(yōu)點。更有趣的是，熱軋工藝的鈦合金鉆桿不僅繼承了普通鋼管的強度，還融合了合成材料的柔韌性。使用鈦合金制造的油套管可以更好地保證鉆井過程和完井后整個油井的正常運行，奚運濤等人[6]研究發(fā)現(xiàn)，采用鈦合金制造的油套管，在深度為 1524m、溫度為 260～287℃的熱采井中，應用 145 鋼級鈦合金套管效果顯著，能較好地保證鉆探過程和整個油井結(jié)束后的正常運轉(zhuǎn)。

總體而言，鈦合金在石油工業(yè)開發(fā)中的應用，為解決極端工況下的技術(shù)難題提供了可行的解決方案，進一步推動了油氣行業(yè)的發(fā)展。

1.2 在燃料電池方面的應用

燃料電池技術(shù)廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，如用于電力備份系統(tǒng)、無人機、工業(yè)機器人等。它們可以提供可靠的電力，并減少對傳統(tǒng)燃料的依賴。但目前現(xiàn)有的燃料電池的壽命、氣密性以及抗腐蝕性能還不夠好，無法滿足實際工業(yè)生產(chǎn)需要[7]。

蓋彥青等學者[8]運用單模光纖激光器進行燃料電池鈦合金材料的焊接實驗。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)整，正交測試時，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)相對最優(yōu)。通過最佳工藝參數(shù)對燃料電池鈦合金極板進行焊接，壓力條件下進行密封測試，結(jié)果顯示，產(chǎn)品在 0.30MPa 下無漏氣。同時對 TC4 鈦合金母材進行腐蝕測試，對焊縫進行激光焊接。測試結(jié)果顯示，TC4 鈦合金母材和激光焊接的焊縫表面均未出現(xiàn)明顯的顏色變化，也沒有腐蝕孔洞和凹坑等缺陷。這說明 TC4 鈦合金的激光焊接焊縫能夠滿足燃料電池對抗腐蝕性的要求。王明超等人[9]致力于解決燃料電池不銹鋼雙極板電堆壽命短的問題。TA1、TA9、TA10、TI35 等 4 種鈦合金過渡層通過增強濾脈沖偏電弧離子鍍技術(shù)，在 316L 不銹鋼雙極板基體上成功沉積。在電化學耐蝕性能的比較中，Ti35 鈦合金作為過渡層展現(xiàn)出優(yōu)異性能。使用Ti35 鈦合金過渡層不僅明顯提高了耐蝕性能，而且也延長了燃料電池的使用壽命。

1.3 在化工設備裝置方面的應用

全球化工技術(shù)的進步帶來了更先進的化工技術(shù)和裝置。化工裝置在化工生產(chǎn)中起到關(guān)鍵性的作用，化工裝置的性能直接關(guān)系到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。由于鈦合金具有高強度、優(yōu)異的耐蝕性以及良好的內(nèi)熱性能，因此，廣泛應用于制造化工設備，尤其在近年來得到了廣泛推廣。然而，目前在使用鈦合金設備時仍存在一些問題，尤其是在鈦合金設備的焊前處理、焊接工藝選擇和焊接缺陷的防范方面仍缺乏一些有效的補救措施。高俊生等人[10]針對化工裝置應用鈦合金開裂的處理方法中，強調(diào)正確選擇焊接工藝參數(shù)的重要性，包括焊接溫度適宜、焊接速度適宜等，以解決開裂問題。此外，為保證焊接界面的質(zhì)量，去除焊件表面及焊絲表面的有機物質(zhì)，如氧化皮、油污等，也被視為其中的關(guān)鍵步驟。焊接時必須精確控制 Ar 的流量和流速，防止因充氣防護效果差而導致氣流湍急進而產(chǎn)生不良效果。通過保持 Ar 的均勻流動，可以有效防止O₂的進入，減少氧化的風險，從而降低裂紋的發(fā)生率。值得注意的是，還可以采用手工鎢極氬弧焊這一焊接方法來處理鈦合金，這種方法不僅可行而且能夠取得滿意的效果。手工操作可以更靈活地掌握焊接過程，使得焊縫更為均勻，減少裂紋的產(chǎn)生。這一研究為解決鈦合金在化工裝置中的開裂問題提供了行之有效的方法，為改進焊接工藝和提高鈦合金設備的可靠性提供了有益指導。此后，邊雯雯[11]進一步強調(diào)了對鈦合金材料自身特性的深入理解，并提倡加強對各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，以有針對性地解決化工設備裝置中的焊接問題和裂縫問題。確保在化工生產(chǎn)中達到更高的可靠性和安全性。

1.4 在海水淡化方面的應用

由于全球淡水資源相對有限，因此，在解決水資源緊缺問題上，海水淡化技術(shù)顯得異常重要。研究表明，耐海水腐蝕的最佳材料是鈦合金[12]。

張文毓[13]指出，目前在海水淡化設備中，尤其是在多級閃蒸海水淡化裝置技術(shù)上，主要采用鈦合金作為導熱管。該技術(shù)具有相當成熟的優(yōu)點，出水量大、淡水質(zhì)量高、淡化成本低、適用范圍廣、操作穩(wěn)定。值得關(guān)注的是，電廠低品位熱能的充分利用，使多級閃蒸海水淡化裝置的能源利用率顯著提高，從而使其在可持續(xù)發(fā)展中優(yōu)勢顯著。其次，由于鈦合金具有耐高溫離子腐蝕的特性，因此，在海水淡化裝置中廣泛應用于蒸發(fā)器的制造。這使得海水淡化過程在高溫環(huán)境下能夠保持設備的穩(wěn)定運行。另外，在海水淡化設備中，鈦合金本身的抗腐蝕能力也使其成為熱交換器的首選材料。

綜合而言，鈦合金在海水淡化技術(shù)中的應用有助于提高設備的性能和可靠性，為解決全球淡水資源短缺問題提供了一種可行的技術(shù)途徑。

2、 金屬材料鈦合金在醫(yī)藥領域的應用

2.1 在骨科方面的應用

鈦合金在骨科領域應用十分廣泛，主要得益于其優(yōu)異的生物相容性、高強度、輕質(zhì)量、耐腐蝕和良好的可加工性。鈦合金是重要的骨科植入物材料[14]。

張正也等研究人員[15]發(fā)現(xiàn)，3D 打印技術(shù)具有個性化和精準化定制的顯著優(yōu)勢。通過結(jié)合鈦合金的優(yōu)良特性，可根據(jù)病人原有的骨骼結(jié)構(gòu)進行個性化的定制。這種方法可以制造出與患者自身骨骼形態(tài)一致、微觀結(jié)構(gòu)相近的植入體。充分利用外形匹配的優(yōu)勢，最大程度地還原生物力學特性，有助于縮短軟組織重新適應的過程，更有效地促進骨長入并加速骨愈合的達成。這一創(chuàng)新方法有望在醫(yī)學領域中推動個體化治療和骨科手術(shù)的發(fā)展。為確保在骨科領域中安全應用 3D 打印技術(shù)，王涵等研究者[16]進行了鈦合金在骨科應用中的亞慢性全身毒性研究。他們采用 SD 大鼠，通過尾靜脈注射途徑進行亞慢性全身毒性實驗，采用多項指標來評估 3D 打印骨科鈦合金的亞慢性全身毒性，包括監(jiān)測大鼠的身體質(zhì)量、血液學、臨床生化、臟器系數(shù)和組織病理等。結(jié)果顯示，3D 打印骨科鈦合金在實驗中沒有觀察到任何SD 大鼠生物學上的顯著異常指標，在亞慢性全身性毒性方面也沒有顯示出不良影響。這為進一步應用于骨科領域的 3D 打印技術(shù)提供了有益的毒理學評價。劉迅等人[17]隨后揭示了β鈦合金在 3D 打印技術(shù)中的潛力。他們發(fā)現(xiàn)β鈦合金具有更低的彈性模量，這一發(fā)現(xiàn)為 3D 打印技術(shù)指明了新的研發(fā)方向。

通過這項研究，他們成功地實現(xiàn)了對骨組織的精確復制，為醫(yī)學和生物工程領域的應用提供了有力支持。

此外，也有研究顯示，不含有毒元素V和Al的β鈦合金彈性模量更低，強度更高，生物相容性更好[ 18]。由于其不容易引發(fā)“應力屏蔽”現(xiàn)象，因此綜合性能更為出色。這使得β鈦合金成為骨科內(nèi)植入產(chǎn)品的理想材料，如髖關(guān)節(jié)、膝部、踝部、肩部、肘部、腕部、指關(guān)節(jié)等，骨創(chuàng)傷產(chǎn)品（如螺釘、鋼板、髓內(nèi)釘?shù)龋┮约肮莾?nèi)固定系統(tǒng)（如脊椎內(nèi)固定系統(tǒng)）等[19]。

2.2 在牙科方面的應用

鈦合金以其卓越的機械性能、生物相容性和耐腐蝕性在口腔種植、固定義齒、活動義齒及牙體缺損修復等領域廣泛應用[20，21]。

在醫(yī)學不斷進步、研究不斷深入的情況下，對它的性能要求也越來越高。為此，杜錦錦等研究者[22 ]采用機械處理、物理化學和生物化學等方法進行表面改性，不僅顯著改善了材料性能，而且使其能夠滿足不同領域的特殊需求。這些改進為臨床提供了更多選擇，有助于更精準地應用合適的鈦合金材料。在過去，常用于牙科修復的合金包括含有有毒元素Al和V的材料，如 Ti-6Al-4V 和 Ti-6Al-7Nb 等。然而，近年來，國內(nèi)外的研究者們已經(jīng)紛紛將注意力轉(zhuǎn)向了對無毒牙科修復用鈦合金的深入研究[23]。研究者們認識到，Mo 和 Nb 等元素被認為是β相穩(wěn)定元素，它們的引入能夠有效提高合金的強度和塑性，同時降低合金的彈性模量。而且，這些合金的生物相容性也很好。徐麗娟[24]成功地利用 LZ5 型離心鑄鈦機制備了 Ti-Mo、Ti-Nb 和 Ti-Mo-Nb 合金材料。通過對這些合金的顯微組織、力學性能、摩擦磨損和腐蝕特性進行系統(tǒng)研究，進一步深入調(diào)查了優(yōu)化的β型

Ti-Mo-Nb 合金的生物相容性和鑄造性能。通過采用熔模精密鑄造工藝，成功地制備了適用于口腔修復的牙冠。這些研究成果為開發(fā)更安全、更有效的口腔修復材料提供了有力支持。

2.3 在藥物釋放動力學方面的應用

占據(jù)全身骨關(guān)節(jié)結(jié)核病例中約 10%～15%的髖關(guān)節(jié)結(jié)核是最為常見的四肢骨關(guān)節(jié)結(jié)核之一。近年來，髖關(guān)節(jié)結(jié)核的患病率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢[25]。

在髖關(guān)節(jié)結(jié)核的晚期，關(guān)節(jié)經(jīng)歷了嚴重的損害，表現(xiàn)為軟骨的脫落以及軟骨下骨遭受侵蝕和破壞。這一情況可能導致病患在髖關(guān)節(jié)功能方面遭受重大影響。以往常規(guī)的治療方法是采用關(guān)節(jié)融合，但近年來一期關(guān)節(jié)置換逐漸受到廣泛認可[26，27]，但在關(guān)節(jié)置換后仍有可能出現(xiàn)術(shù)后復發(fā)的風險，尤其是隨著耐藥結(jié)核病人較多和耐利福平結(jié)核病人逐漸增多的情況下，更是如此。目前，如何更有效地降低人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后關(guān)節(jié)結(jié)核復發(fā)的風險是當務之急。在這樣的背景下，在人造關(guān)節(jié)假體表面鈦合金就成了常用的材質(zhì)。為減少晚期關(guān)節(jié)結(jié)核在人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后的復發(fā)風險，高旭鵬等研究人員[28]探索將利福平（Rifampicin，RFP）緩釋涂層引入鈦合金材料表面的可行性，并對其釋放藥物的體內(nèi)外特性進行研究，以降低人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后晚期關(guān)節(jié)結(jié)核的復發(fā)風險。

鈦合金材料表面成功形成聚多巴胺（PDA）薄膜，通過邁克爾加成反應生成。隨后，將利福平粉劑加入交聯(lián)淀粉（CS）和四臂巰基聚乙二醇（PEG）中制成水凝膠。Ti-PDA-PEG-CS-RFP（Ti-PPCR）涂層通過浸漬提拉法在 PDA 薄膜表面涂覆水凝膠，最終成功制備。藥物釋放特性通過使用高效液相色譜法在模擬體液中檢測得到。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前 3d Ti-PPCR 藥物釋放速度較快，累計釋放藥物數(shù)量占總藥物數(shù)量的63.2%。隨后釋放趨于平緩，總釋放率達到了 79.2%，釋放時間長達 9d。在體內(nèi)實驗中，20 只新西蘭大白兔的右側(cè)股骨中植入了攜帶 6.2mg 藥物的 Ti-PPCR鈦合金片，分別在術(shù)后 5、10、15、20d 進行實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在身體內(nèi)骨組織和肌肉組織中，藥物濃度上升很快，到了最高峰的第 5 天，之后，藥物濃度就慢慢減少了。總釋放周期分別可長達 20d 和 10d，且均在最小殺菌濃度以上。值得注意的是，利福平并未被檢出存在于兔靜脈血液中。綜合來看，鈦金屬表面構(gòu)筑的 Ti-PPCR 利福緩釋涂層，在藥物釋放動力學方面表現(xiàn)出顯著的局部緩釋效果。

3 、結(jié)語

隨著金屬材料鈦合金的持續(xù)發(fā)展，其已經(jīng)深度融入化工和醫(yī)藥領域，發(fā)揮了獨特的優(yōu)勢。在石油工業(yè)、燃料電池、化工設備裝置、海水淡化、骨科、牙科和藥物釋放動力學等多個領域，鈦合金憑借卓越的性能為解決復雜問題提供了創(chuàng)新的解決方案。在化工領域，鈦合金可以更好地用于石油工業(yè)開發(fā)，明顯提高了燃料電池的耐蝕性能，延長了其使用壽命，解決了化工設備裝置中的焊接問題和裂縫問題，提高了海水淡化技術(shù)設備中的性能和可靠性。在醫(yī)藥領域，鈦合金成為骨科和牙科修復的理想材料，同時在藥物釋放動力學方面展現(xiàn)出了顯著的局部緩釋作用。然而，鈦合金目前仍然面臨一系列問題，如高成本、難加工、在可持續(xù)性和環(huán)保等方面仍存在挑戰(zhàn)。

這需要不斷的研究和技術(shù)改進，以降低成本、提高加工可行性，并尋找更環(huán)保和可持續(xù)的生產(chǎn)方法。相信隨著化學工業(yè)和材料學的蓬勃發(fā)展，預計鈦合金將逐步克服這些問題，不斷完善并深入應用于化工和醫(yī)藥領域。這種發(fā)展不僅有助于推動科學研究取得新的突破，也為產(chǎn)業(yè)提供了更具創(chuàng)新性和可持續(xù)性的解決方案。

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