金屬材料鈦合金在化工與醫藥領域的應用

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、優異的耐腐蝕性、良好的生物相容性等特點，在化工和醫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時表現出色。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，為化工生產提供了可靠的材料基礎。在醫藥領域，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，如人工髖關節和牙科植入物。此外，鈦合金在藥物釋放動力學等方面也發揮了重要作用，廣泛涉及藥物輸送系統的設計和優化。通過將鈦合金納入藥物輸送系統的構建，成功實現了對藥物釋放速率和方式的精準調控。這一創新性應用為醫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藥領域的應用和發展提供參考。

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油氣資源擴展的趨勢下，傳統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油氣資源勘探和開發的強大工具。

楊彪等人[5]發現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量，降低開采機構負荷，同時鈦合金的焊接性能優異，在高溫高壓環境下適應性好。而且鈦合金油井管還具有很高的經濟性，這些對于深水勘探和生產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、較小的結構強度、較強的抗疲勞性、優越的抗腐蝕性以及較輕巧的質量等優點。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]研究發現，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束后的正常運轉。

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

1.2 在燃料電池方面的應用

燃料電池技術廣泛應用于現代工業生產中，如用于電力備份系統、無人機、工業機器人等。它們可以提供可靠的電力，并減少對傳統燃料的依賴。但目前現有的燃料電池的壽命、氣密性以及抗腐蝕性能還不夠好，無法滿足實際工業生產需要[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。經過系統調整，正交測試時，發現工藝參數相對最優。通過最佳工藝參數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，結果顯示，產品在 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。測試結果顯示，TC4 鈦合金母材和激光焊接的焊縫表面均未出現明顯的顏色變化，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，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出優異性能。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

全球化工技術的進步帶來了更先進的化工技術和裝置。化工裝置在化工生產中起到關鍵性的作用，化工裝置的性能直接關系到生產效率和產品質量。由于鈦合金具有高強度、優異的耐蝕性以及良好的內熱性能，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，強調正確選擇焊接工藝參數的重要性，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量，去除焊件表面及焊絲表面的有機物質，如氧化皮、油污等，也被視為其中的關鍵步驟。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節的質量控制，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上，主要采用鈦合金作為導熱管。該技術具有相當成熟的優點，出水量大、淡水質量高、淡化成本低、適用范圍廣、操作穩定。值得關注的是，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，從而使其在可持續發展中優勢顯著。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器的制造。這使得海水淡化過程在高溫環境下能夠保持設備的穩定運行。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途徑。

2、 金屬材料鈦合金在醫藥領域的應用

2.1 在骨科方面的應用

鈦合金在骨科領域應用十分廣泛，主要得益于其優異的生物相容性、高強度、輕質量、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]發現，3D 打印技術具有個性化和精準化定制的顯著優勢。通過結合鈦合金的優良特性，可根據病人原有的骨骼結構進行個性化的定制。這種方法可以制造出與患者自身骨骼形態一致、微觀結構相近的植入體。充分利用外形匹配的優勢，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。這一創新方法有望在醫學領域中推動個體化治療和骨科手術的發展。為確保在骨科領域中安全應用 3D 打印技術，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，包括監測大鼠的身體質量、血液學、臨床生化、臟器系數和組織病理等。結果顯示，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 打印技術中的潛力。他們發現β鈦合金具有更低的彈性模量，這一發現為 3D 打印技術指明了新的研發方向。

通過這項研究，他們成功地實現了對骨組織的精確復制，為醫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“應力屏蔽”現象，因此綜合性能更為出色。這使得β鈦合金成為骨科內植入產品的理想材料，如髖關節、膝部、踝部、肩部、肘部、腕部、指關節等，骨創傷產品（如螺釘、鋼板、髓內釘等）以及骨內固定系統（如脊椎內固定系統）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，國內外的研究者們已經紛紛將注意力轉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研究，進一步深入調查了優化的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

占據全身骨關節結核病例中約 10%～15%的髖關節結核是最為常見的四肢骨關節結核之一。近年來，髖關節結核的患病率呈現逐年上升的趨勢[25]。

在髖關節結核的晚期，關節經歷了嚴重的損害，表現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節功能方面遭受重大影響。以往常規的治療方法是采用關節融合，但近年來一期關節置換逐漸受到廣泛認可[26，27]，但在關節置換后仍有可能出現術后復發的風險，尤其是隨著耐藥結核病人較多和耐利福平結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節置換術后關節結核復發的風險是當務之急。在這樣的背景下，在人造關節假體表面鈦合金就成了常用的材質。為減少晚期關節結核在人工關節置換術后的復發風險，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外特性進行研究，以降低人工關節置換術后晚期關節結核的復發風險。

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。結果發現，前 3d Ti-PPCR 藥物釋放速度較快，累計釋放藥物數量占總藥物數量的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。在體內實驗中，20 只新西蘭大白兔的右側股骨中植入了攜帶 6.2mg 藥物的 Ti-PPCR鈦合金片，分別在術后 5、10、15、20d 進行實驗。結果發現，在身體內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，鈦金屬表面構筑的 Ti-PPCR 利福緩釋涂層，在藥物釋放動力學方面表現出顯著的局部緩釋效果。

3 、結語

隨著金屬材料鈦合金的持續發展，其已經深度融入化工和醫藥領域，發揮了獨特的優勢。在石油工業、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開發，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設備中的性能和可靠性。在醫藥領域，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、在可持續性和環保等方面仍存在挑戰。

這需要不斷的研究和技術改進，以降低成本、提高加工可行性，并尋找更環保和可持續的生產方法。相信隨著化學工業和材料學的蓬勃發展，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藥領域。這種發展不僅有助于推動科學研究取得新的突破，也為產業提供了更具創新性和可持續性的解決方案。

參 考 文 獻

［1］ 郭克星. 鈦合金的制備和應用［J］. 熱處理, 2023, 38（5）: 8- 12.

［2］ 邢勇香. 鈦合金化學機械拋光工藝研究［D］. 新鄉: 河南科技學院,2023.

［3］ Liang Y, Song Y, Wang L, et al. Research progress on antibacterial activity of medical titanium alloy implant materials［J］. Odontology,2023,111（4）: 813- 829.

［4］ 王平, 楊紹蘭, 楊葒培, 等. 鈦合金在油氣行業的應用及研究進展［J］. 世界石油工業, 2023, 30（6）: 69- 78.

［5］ 楊彪, 王平, 龔云柏, 等. 油氣行業用鈦合金油井管生產與研究應用進展［J］. 材料熱處理學報, 2021, 42（9）: 12- 21.

［6］ 奚運濤, 劉星辰, 黃曉江, 等. 鈦合金材料在石油工業中的應用及其抗腐蝕性能研究進展［J］. 焊管, 2023, 46（11）: 1- 8; 13.

［7］ 郝春苗. 包埋法制備 TiC改性鈦合金燃料電池雙極板的性能研究［D］. 大連: 大連海事大學, 2022.

［8］ 蓋彥青, 劉小斐, 王偉. 燃料電池鈦合金極板激光焊接工藝研究［J］. 應用激光, 2021, 41（2）: 271- 275.

［9］ 王明超, 林國強, 莫亞杰, 等. 鈦合金過渡層對燃料電池不銹鋼雙極板表面改性薄膜綜合性能的影響［J］. 真空科學與技術學報,2018, 38（11）: 972- 979.

［10］ 高俊生, 常江. 化工裝置鈦合金設備常見缺陷及修復辦法［J］.煉油與化工, 2007, 18（2）: 32- 34.

［11］ 邊雯雯. 化工裝置鈦合金設備常見缺陷及修復辦法［J］. 山東工業技術, 2014,（16）: 17.

［12］ 張汾. 海水淡化受到日益重視 鈦合金應用前景廣闊［J］. 水處理技術, 2005,（5）: 88.

［13］ 張文毓. 鈦及鈦合金在海水淡化中的應用［J］. 新材料產業,2009,（3）: 30- 33.

［14］ Wood J, Hayles A, Bright R., et al. Nanomechanical tribological characterisation of nanostructured titanium alloy surfaces using AFM: A friction vs velocity study［J］. Colloids and surfaces. B,Biointerfaces, 2022, 217: 112600.

［15］ 張正也, 劉曉奇, 莊金鵬, 等. 3D 打印鈦合金在骨科的臨床應用及進展［J］. 實用骨科雜志, 2021, 27（9）: 820- 824.

［16］ 王涵, 趙丹妹, 許建霞, 等. 3D 打印骨科鈦合金的亞慢性全身毒性研究［J］. 組織工程與重建外科雜志, 2020, 16（1）: 6- 10.

［17］ 劉迅, 張云秀. 骨科用鈦合金研究進展［J］. 輕工科技, 2021, 37（10）: 16- 17.

［18］ Sidhu S.S, Singh H, Gepreel MA. A reviewon alloydesign, biolog-ical response, and strengthening of β- titanium alloys as biomate-rials ［J］. Materials Science &Engineering, C. Materials for biologi-cal applications, 2021,121: 111661.

［19］ 謝輝, 張玉勤, 孟增東, 等.β鈦合金特性及其在骨科領域的應用現狀和研究進展［J］. 生物骨科材料與臨床研究, 2013, 10（6）: 29- 32.

［20］ Takeuchi Y, Tanaka M, Tanaka J, et al. Fabrication systems for restorations and fixed dental prostheses made of titanium and tita-niumalloys［J］. Journal of Prosthodontic Research, 2020, 64（1）:1- 5.

［21］ 張新平, 于思榮, 夏連杰, 等. 鈦及鈦合金在牙科領域中的研究現狀［J］. 稀有金屬材料與工程, 2002,（4）: 246- 251.

［22］ 杜錦錦, 汪大林. 牙科鈦及鈦合金的表面改性新進展［J］. 國際口腔醫學雜志, 2010, 37（6）: 703- 706.

［23］ 吳全興. 鈦及鈦合金在牙科領域應用的新動向［J］. 鈦工業進展, 2016, 33（5）: 46.

［24］ 徐麗娟, 肖樹龍, 陳玉勇. Mo、Cr 元素對牙科用鈦合金顯微組織和性能的影響［J］. 特種鑄造及有色合金, 2007,（12）:909-911; 897.

［25］ Neogi DS, YadavCS, Ashok Kumar, et al. Total hip arthroplasty in patients with active tuberculosis of the hip with advanced arthritis ［J］. Clinical Orthopaedics and Related Research, 2010,468（2）:605- 612.

［26］ Kumar V, GargB, &Malhotra R. Total hip replacement for arthritis following tuberculosis of hip［J］. World Journal of Orthopedics,2015,6（8）：636- 640.

［27］ Zeng M, Hu Y, Leng Y, et al. Cementless total hip arthroplasty in advanced tuberculosis of the hip［J］. International Orthopaedics,2015, 39（11）: 2103- 2107.

［28］ 高旭鵬, 余方圓, 陳明, 等. 鈦合金表面利福平復合凝膠涂層的藥物釋放動力學研究［J］. 中國矯形外科雜志, 2018, 26（7）:649- 654.