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氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15-0.2％和0.04-0.05％以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物,使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在0.015％以下。氫在鈦中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去。

第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好,而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金,該合金使用量已占全部鈦合金的75%～85%。其他許多鈦合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。

20世紀50～60年代,主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金,70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金,80年代以來,耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出現(xiàn),使鈦在發(fā)動機的使用部位正由發(fā)動機的冷端（風扇和壓氣機）向發(fā)動機的熱端（渦輪）方向推進。結構鈦合金向高強、高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。

另外,20世紀70年代以來,還出現(xiàn)了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金,并在工程上獲得日益廣泛的應用。

目前,世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種,最著名的合金有20～30種,如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等[2,4]。

α鈦合金

它是α相固溶體組成的單相合金,不論是在一般溫度下還是在較高的實際應用溫度下,均是α相,組織穩(wěn)定,耐磨性高于純鈦,抗氧化能力強。在500℃～600℃的溫度下,仍保持其強度和抗蠕變性能,但不能進行熱處理強化,室溫強度不高。

β鈦合金

它是β相固溶體組成的單相合金,未熱處理即具有較高的強度,淬火、時效后合金得到進一步強化,室溫強度可達1372～1666 MPa；但熱穩(wěn)定性較差,不宜在高溫下使用。

α+β鈦合金

它是雙相合金,具有良好的綜合性能,組織穩(wěn)定性好,有良好的韌性、塑性和高溫變形性能,能較好地進行熱壓力加工,能進行淬火、時效使合金強化。熱處理后的強度約比退火狀態(tài)提高50%～100%；高溫強度高,可在400℃～500℃的溫度下長期工作,其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。

三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金；α鈦合金的切削加工性最好,α+β鈦合金次之,β鈦合金最差。α鈦合金代號為TA,β鈦合金代號為TB,α+β鈦合金代號為TC。

鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強合金、耐蝕合金（鈦-鉬,鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。典型合金的成分和性能見表。

熱處理 鈦合金通過調整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認為細小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強度；針狀組織具有較高的持久強度、蠕變強度和斷裂韌性；等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。

強度高

鈦合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,僅為鋼的60%,純鈦的強度才接近普通鋼的強度,一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬結構材料,見表7-1,可制出單位強度高、剛性好、質輕的零、部件。目前飛機的發(fā)動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

熱強度高

使用溫度比鋁合金高幾百度,在中等溫度下仍能保持所要求的強度,可在450～500℃的溫度下長期工作這兩類鈦合金在150℃～500℃范圍內仍有很高的比強度,而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達500℃,鋁合金則在200℃以下。

抗蝕性好

鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作,其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼；對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。

低溫性能好

鈦合金在低溫和超低溫下,仍能保持其力學性能。低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,如TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。因此,鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。

化學活性大

鈦的化學活性大,與大氣中O、N、H、CO、CO₂、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強烈的化學反應。含碳量大于0.2%時,會在鈦合金中形成硬質TiC；溫度較高時,與N作用也會形成TiN硬質表層；在600℃以上時,鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升,也會形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達0.1～0.15 mm,硬化程度為20%～30%。鈦的化學親和性也大,易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。

導熱系數(shù)小、彈性模量小

鈦的導熱系數(shù)λ=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導熱系數(shù)比鈦的導熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2,故其剛性差、易變形,不宜制作細長桿和薄壁件,切削時加工表面的回彈量很大,約為不銹鋼的2～3倍,造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結磨損。

鈦合金的密度低,可以降低運動零件的慣性質量,同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動,減弱車身的振顫,提高發(fā)動機的轉速及輸出功率。

減小運動零件的慣性質量,從而使摩擦力減小,提高發(fā)動機的燃油效率。選擇鈦合金可以減輕相關零件的負載應力,縮小零件的尺寸,從而使發(fā)動機及整車的質量減輕。零部件慣性質量的降低,使得振動和噪聲減弱,改善發(fā)動機的性能。 鈦合金在其他部件上的應用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業(yè)上的應用,鈦合金在節(jié)能降耗方面起到了不可估量的作用。

鈦合金零部件盡管具有如此優(yōu)越的性能,但距鈦及其合金普遍應用在汽車工業(yè)中還有很大的距離,原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。

隨著近年來鈦合金近凈成形技術及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現(xiàn)代焊接技術的發(fā)展,鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應用的關鍵因素,阻礙鈦合金普遍應用于汽車工業(yè)的最主要原因還是成本過高。

無論是金屬最初的冶煉還是后續(xù)的加工,鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬。汽車工業(yè)能夠接受的鈦制零件成本,用連桿鈦材8～13美元/kg,氣閥用鈦材13～20美元/kg,彈簧、發(fā)動機排氣系統(tǒng)及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。而目前用鈦材料生產(chǎn)的零件成本比這些價格高了很多,鈦板材的生產(chǎn)成本大多數(shù)高于33美元/kg,是鋁板材的6～15倍,鋼板材的45～83倍。

鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件,其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。60年代中期,鈦及其合金已在一般工業(yè)中應用,用于制作電解工業(yè)的電極,發(fā)電站的冷凝器,石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結構材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。

中國于1956年開始鈦和鈦合金研究；60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結構材料,比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間,但比強度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加,達到飛機結構重量的20%～25%。70年代起,民用機開始大量使用鈦合金,如波音747客機用鈦量達3640公斤以上。馬赫數(shù)小于 2.5的飛機用鈦主要是為了代替鋼,以減輕結構重量。又如,美國SR-71 高空高速偵察機(飛行馬赫數(shù)為3,飛行高度26212米),鈦占飛機結構重量的93%,號稱“全鈦”飛機。當航空發(fā)動機的推重比從4～6提高到8～10,壓氣機出口溫度相應地從200～300°C增加到500～600°C時,原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金,或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片,以減輕結構重量。70年代,鈦合金在航空發(fā)動機中的用量一般占結構總重量的20%～30%,主要用于制造壓氣機部件,如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機 也都使用鈦合金板材焊接件。

利用鈦合金強度大、超級耐腐蝕的特點制成的高強度彈簧,已經(jīng)廣泛運用于床墊等民用領域。通過在床墊彈簧中使用鈦合金技術的品牌,其中新型的鈦合金彈簧,能順應身體曲線,達到由軟至硬、由淺入深的獨特承托效果,輕松享受深度睡眠。并且,經(jīng)兩次高溫定型處理,彈簧的彈性和回復力得到有效提升,耐用度增強。 因為床墊屬于耐用消費品,消費者購買后會不間斷使用數(shù)年甚至10年以上,而消費者睡眠中每一次翻身、起臥都是對彈簧的一次考驗及使用壽命的消耗。以單張床墊使用10年計算,單個彈簧的物理變形次數(shù)將超過10萬次。而高強度的鈦合金彈簧由于有著優(yōu)良的抗屈服度物理性質,因此雖歷經(jīng)長年使用卻依然能保持如初的狀態(tài)。 有的大品牌床墊采用了的鋼絲彈簧采用了數(shù)條優(yōu)質的鋼絲屈繞而成,回彈力極強,比如美國本土制造的Simmons品牌獨立袋裝床墊,部分產(chǎn)品所用的鋼絲彈簧便是由數(shù)股細鋼絲屈繞而成的。

總結,鈦合金的熱處理工藝可以歸納為：

1、消除應力退火：目的是為消除或減少加工過程中產(chǎn)生的殘余應力。防止在一些腐蝕環(huán)境中的化學侵蝕和減少變形。

2、完全退火：目的是為了獲得好的韌性,改善加工性能,有利于再加工以及提高尺寸和組織的穩(wěn)定性。

3、固溶處理和時效：目的是為了提高其強度,α鈦合金和穩(wěn)定的β鈦合金不能進行強化熱處理,在生產(chǎn)中只進行退火。α+β鈦合金和含有少量α相的亞穩(wěn)β鈦合金可以通過固溶處理和時效使合金進一步強化。

此外,為了滿足工件的特殊要求,工業(yè)上還采用雙重退火、等溫退火、β熱處理、形變熱處理等金屬熱處理工藝。

鈦合金的硬度大于HB350時切削加工特別困難,小于HB300時則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象,也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面,關鍵在于鈦合金本身化學、物理、力學性能間的綜合對其切削加工性的影響。鈦合金有如下切削特點：

1、變形系數(shù)�。哼@是鈦合金切削加工的顯著特點,變形系數(shù)小于或接近于1。切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大,加速刀具磨損。

2、切削溫度高：由于鈦合金的導熱系數(shù)很小(只相當于45號鋼的1/5～1/7),切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產(chǎn)生的熱不易傳出,集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內,切削溫度很高。在相同的切削條件下,切削溫度可比切削45號鋼時高出一倍以上。

3、單位面積上的切削力大：主切削力比切鋼時約小20%,由于切屑與前刀面的接觸長度極短,單位接觸面積上的切削力大大增加,容易造成崩刃。同時,由于鈦合金的彈性模量小,加工時在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形,引起振動,加大刀具磨損并影響零件的精度。因此,要求工藝系統(tǒng)應具有較好的剛性。

4、冷硬現(xiàn)象嚴重：由于鈦的化學活性大,在高的切削溫度下,很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現(xiàn)象不僅會降低零件的疲勞強度,而且能加劇刀具磨損,是切削鈦合金時的一個很重要特點。

5、刀具易磨損：毛坯經(jīng)過沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后,形成硬而脆的不均勻外皮,極易造成崩刃現(xiàn)象,使得切除硬皮成為鈦合金加工中最困難的工序。另外,由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強,在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下,刀具很容易產(chǎn)生粘結磨損。車削鈦合金時,有時前刀面的磨損甚至比后刀面更為嚴重；進給量f<0.1 mm/r時,磨損主要發(fā)生在后刀面上；當f>0.2 mm/r時,前刀面將出現(xiàn)磨損；用硬質合金刀具精車和半精車時,后刀面的磨損以VBmax<0.4 mm較合適。

在銑削加工中,由于鈦合金材料的導熱系數(shù)低,而且切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產(chǎn)生的熱不易傳出,集中在切削變形區(qū)和切削刃附近的較小范圍內,加工時切削刃刃口處會產(chǎn)生極高的切削溫度,將大大縮短刀具壽命。對于鈦合金Ti6Al4V來說,在刀具強度和機床功率允許的條件下,切削溫度的高低是影響刀具壽命的關鍵因素,而并非切削力的大小。

折疊刀具材料
切削加工鈦合金應從降低切削溫度和減少粘結兩方面出發(fā),選用紅硬性好、抗彎強度高、導熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料,YG類硬質合金比較合適。由于高速鋼的耐熱性差,因此應盡量采用硬質合金制作的刀具。常用的硬質合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。

涂層刀片和YT類硬質合金會與鈦合金產(chǎn)生劇烈的親和作用,加劇刀具的粘結磨損,不宜用來切削鈦合金；對于復雜、多刃刀具,可選用高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料,適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具。

采用金剛石和立方氮化硼作刀具切削鈦合金,可取得顯著效果。如用天然金剛石刀具在乳化液冷卻的條件下,切削速度可達200 m/min；若不用切削液,在同等磨損量時,允許的切削速度僅為100m/min。

注意事項

在切削鈦合金的過程中,應注意的事項有：

1、由于鈦合金的彈性模量小,工件在加工中的夾緊變形和受力變形大,會降低工件的加工精度；工件安裝時夾緊力不宜過大,必要時可增加輔助支承。

2、如果使用含氫的切削液,切削過程中在高溫下將分解釋放出氫氣,被鈦吸收引起氫脆；也可能引起鈦合金高溫應力腐蝕開裂。

3、切削液中的氯化物使用時還可能分解或揮發(fā)有毒氣體,使用時宜采取安全防護措施,否則不應使用；切削后應及時用不含氯的清洗劑徹底清洗零件,清除含氯殘留物。

4、禁止使用鉛或鋅基合金制作的工、夾具與鈦合金接觸,銅、錫、鎘及其合金也同樣禁止使用。

5、與鈦合金接觸的所有工、夾具或其他裝置都必須潔凈；經(jīng)清洗過的鈦合金零件,要防止油脂或指印污染,否則以后可能造成鹽(氯化鈉)的應力腐蝕。

6、一般情況下切削加工鈦合金時,沒有發(fā)火危險,只有在微量切削時,切下的細小切屑才有發(fā)火燃燒現(xiàn)象。為了避免火災,除大量澆注切削液之外,還應防止切屑在機床上堆積,刀具用鈍后立即進行更換,或降低切削速度,加大進給量以加大切屑厚度。若一旦著火,應采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等滅火器材進行撲滅,嚴禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器,也不能澆水,因為水能加速燃燒,甚至導致氫爆炸。

高溫鈦合金

世界上第一個研制成功的高溫鈦合金是Ti-6Al-4V,使用溫度為300-350℃。隨后相繼研制出使用溫度達400℃的IMI550、BT3-1等合金,以及使用溫度為450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。目前已成功地應用在軍用和民用飛機發(fā)動機中的新型高溫鈦合金有.英國的IMI829、IMI834合金；美國的Ti-1100合金；俄羅斯的BT18Y、BT36合金等。表7為部分國家新型高溫鈦合金的最高使用溫度[26]。

近幾年國外把采用快速凝固/粉末冶金技術、纖維或顆粒增強復合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發(fā)展方向,使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上[1,27,29,31]。美國麥道公司采用快速凝固/粉末冶金技術成功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金,在760℃下其強度相當于目前室溫下使用的鈦合金強度[26]。

鈦鋁化合物為基的鈦合金

與一般鈦合金相比,鈦鋁化合物為基鈉Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金屬間化合物的最大優(yōu)點是高溫性能好（最高使用溫度分別為816和982℃）、抗氧化能力強、抗蠕變性能好和重量輕（密度僅為鎳基高溫合金的1/2）,這些優(yōu)點使其成為未來航空發(fā)動機及飛機結構件最具競爭力的材料[26]。

目前,已有兩個Ti3Al為基的鈦合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美國開始批量生產(chǎn)。其他近年來發(fā)展的Ti3Al為基的鈦合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等[29]。TiAl（γ）為基的鈦合金受關注的成分范圍為Ti-（46-52）Al-（1-10）M（at.%）,此處M為v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一種元素。最近,TiAl3為基的鈦合金開始引起注意,如Ti-65Al-10Ni合金[1]。

高強高韌β型鈦合金

β型鈦合金最早是20世紀50年代中期由美國Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。β型鈦合金具有良好的冷熱加工性能,易鍛造,可軋制、焊接,可通過固溶-時效處理獲得較高的機械性能、良好的環(huán)境抗力及強度與斷裂韌性的很好配合。新型高強高韌β型鈦合金最具代表性的有以下幾種[26,30]：

Ti1023（Ti-10v-2Fe-#al）,該合金與飛機結構件中常用的30CrMnSiA高強度結構鋼性能相當,具有優(yōu)異的鍛造性能；

Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）,該合金冷加工性能比工業(yè)純鈦還好,時效后的室溫抗拉強度可達1000MPa以上；

β21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）,該合金是由美國鈦金屬公司Timet分部研制的一種新型抗氧化、超高強鈦合金,具有良好的抗氧化性能,冷熱加工性能優(yōu)良,可制成厚度為0.064mm的箔材；

日本鋼管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）鈦合金,該合金強度高,超塑性延伸率高達2000%,且超塑成形溫度比Ti-6Al-4V低140℃,可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-擴散連接（SPF/DB）技術制造各種航空航天構件；

俄羅斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al）,其抗拉強度可達1105MPA以上。

阻燃鈦合金

常規(guī)鈦合金在特定的條件下有燃烷的傾向,這在很大程度上限制了其應用。針對這種情況,各國都展開了對阻燃鈦合金的研究并取得一定突破。羌國研制出的Alloy c（也稱為Ti-1720）,名義成分為50Ti-35v-15Cr（質量分數(shù)）,是一種對持續(xù)燃燒不敏感的阻燃鈦合金,己用于F119發(fā)動機。BTT-1和BTT-3為俄羅斯研制的阻燃鈦合金,均為Ti-Cu-Al系合金,具有相當好的熱變形工藝性能,可用其制成復雜的零件。

醫(yī)用鈦合金

鈦無毒、質輕、強度高且具有優(yōu)良的生物相容性,是非常理想的醫(yī)用金屬材料,可用作植入人體的植入物等。目前,在醫(yī)學領域中廣泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者會析出極微量的釩和鋁離子,降低了其細胞適應性且有可能對人體造成危害,這一問題早已引起醫(yī)學界的廣泛關注。美國早在20世紀80年代中期便開始研制無鋁、無釩、具有生物相容性的鈦合金,將其用于矯形術。日本、英國等也在該方面做了大量的研究工作,并取得一些新的進展。例如,日本已開發(fā)出一系列具有優(yōu)良生物相容性的α+β鈦合金,包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20,這些合金的腐蝕強度、疲勞強度和抗腐蝕性能均優(yōu)于Ti-6Al-4v ELI。與α+β鈦合金相比,β鈦合金具有更高的強度水乎,以及更好的切口性能和韌性,更適于作為植入物植入人體。在美國,已有9種β鈦合金被推薦至醫(yī)學領域,即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo。估計在不久的將來,此類具有高強度、低彈性模量以及優(yōu)異成形性和抗腐蝕性能的廬鈦合金很有可能取代目前醫(yī)學領域中廣泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金[28,32]。