在材料科学的前沿探索中，钛合金凭借其卓越的综合性能，成为航空航天与医疗等领域的材料。
航空级 TC4：突破性能极限，拓宽应用边界​
航空级 TC4 钛合金，自诞生起便肩负着提升航空装备性能的重任，始终是航空材料领域的研究焦点。近期，宝钢股份的一项专利成果犹如一颗重磅炸弹，在行业内激起千层浪。其研发的 “一种大型航空发动机风扇整体叶盘用大规格 TC4 钛合金棒材及其制备方法”，成功攻克了大规格棒材制备的技术难题。以往，大型航空发动机风扇整体叶盘制造受限于材料规格，而这项技术通过对直径为 Φ860 - 1000mm 的大型铸锭进行多火次镦拔开坯，精准调控变形量与温度，并巧妙优化冷却方式，最终制备出直径在 Φ400 - 800mm 的大规格棒材。不仅如此，材料的组织形态实现了质的转变，初生 α 相含量高达 70 - 90%，呈现出等轴组织，这使得材料的强塑性得到极大提升，为大型航空发动机风扇整体叶盘的制造提供了坚实的材料基础，极大地拓展了 TC4 钛合金在航空领域的应用空间。​
在航空航天这个对材料性能近乎苛刻的领域，轻量化与高强度永远是追求的目标。科研人员不断在制备工艺与微观结构调控上发力。通过对热机械加工工艺的精细雕琢，能够实现 TC4 钛合金微观组织的优化。例如，通过控制加工参数，可细化晶粒，使材料内部的晶粒尺寸更加均匀细小，从而提高材料的强度与韧性；还能精准调整相比例，让 α 相和 β 相在材料中分布得恰到好处，进一步挖掘材料的性能潜力。与此同时，增材制造技术的迅猛发展为 TC4 钛合金的应用带来了新契机。科研人员针对 TC4 钛合金的 3D 打印工艺开展深入研究，有望实现复杂航空零部件的一体化制造。这不仅能大幅减少加工工序，降低制造成本，还能根据航空结构件的特殊需求，实现材料性能与设计自由度的完美结合，满足航空领域对高性能、轻量化零部件的迫切需求。​
医用 Ti-6Al-4V：以患者为中心，追求更优生物相容性与功能性​
医用 Ti-6Al-4V 钛合金，长期以来都是硬组织植入物领域的主力军，从早期的髋关节、膝关节置换手术，到如今广泛应用于各类骨科植入物，它见证了无数患者重获健康。然而，随着医疗技术的飞速发展以及患者对植入物长期安全性和功能性要求的不断提高，Ti-6Al-4V 也面临着新的挑战与变革。​
传统 Ti-6Al-4V 合金中，Al 元素的存在犹如一把双刃剑。虽然它在一定程度上提升了合金的强度等性能，但 Al 作为慢性蓄积性神经毒物，长期在人体内可能诱发阿尔兹海默症等健康问题，这让科研人员忧心忡忡。此外，该合金约 100GPa 的弹性模量与人体骨弹性模量（10 - 30GPa）之间存在较大差距，在植入人体后，容易引发 “应力屏蔽” 问题，导致植入部位的骨骼因受力异常而出现骨吸收、骨萎缩等现象，影响植入效果与患者的长期康复。为了解决这些问题，科研人员开启了一场 “换血式” 的研发征程。他们致力于开发新型无 Al 或低 Al 含量的替代合金体系，同时引入 Nb、Mo、Ta、Sn 等 β 稳定且生物相容性良好的元素。通过对合金成分的精心调配，降低合金的弹性模量，使其更接近人体骨组织，有效减少 “应力屏蔽” 效应，为患者带来更安全、更舒适的植入体验。​
功能化，是医用钛合金研发的另一大趋势。以抗菌性能为例，细菌感染是植入手术面临的一大风险，一旦发生感染，不仅会给患者带来极大痛苦，甚至可能导致手术失败。科研人员通过合金化手段，巧妙地向 Ti-6Al-4V 中引入抗菌元素，如 Ag、Cu 等，成功开发出具有抗菌功能的新型医用钛合金。像 TiNiAg 合金，经过固溶时效处理后，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等常见致病菌展现出显著的抑菌性能，而且还能很好地保持形状记忆效应与生物相容性，可谓一举多得。中科院金属所研发的一系列含铜医用钛合金，当铜含量达到合金占比 5% 以上时，释放出的铜离子能够对常见致病菌产生稳定的抗菌效果，同时确保合金的生物相容性不受影响，为医用植入物的抗感染提供了新的解决方案。​
研发趋势与展望：多学科融合，共创美好未来​
从航空级 TC4 到医用 Ti-6Al-4V，我们清晰地看到，当前钛合金材料研发正朝着多学科交叉融合、性能精细化调控、绿色可持续发展的方向大步迈进。材料学、物理学、化学、医学等多领域专家携手合作，打破学科壁垒。一方面，借助先进的计算模拟技术，在虚拟世界中对合金设计进行反复推演，提前预测材料性能，减少实验成本与时间；另一方面，结合微观结构表征与性能测试手段，深入到材料的微观世界，探究材料的内在机理，实现对材料性能的精准优化。​
展望未来，随着科技的持续进步，高性能、多功能钛合金材料将不断涌现。在航空领域，新型钛合金将助力飞行器突破速度与航程的极限，降低能耗，实现更高效、更环保的飞行；在医疗领域，更安全、更贴合人体需求的医用钛合金将为患者带来更优质的治疗效果，提高生活质量。同时，绿色制造理念将贯穿钛合金材料研发与生产的全过程，通过优化工艺、降低能耗、减少污染，推动钛合金材料产业实现可持续发展，为人类社会的进步贡献更多力量。​
参考文献​
宝钢股份发明专利：“一种大型航空发动机风扇整体叶盘用大规格 TC4 钛合金棒材及其制备方法”，专利申请号 CN202411783663.5，授权日 2025 年 5 月 2 日。​
《硬组织植入物用钛合金研究进展》 - 国家药品监督管理局医疗器械技术审评检查大湾区分中心，2024 年 1 月 5 日。