环件径轴向辗轧是制造高性能钛合金环件的先进成形技术,在航空、航天等领域得到了广泛的应用。为满足钛合金环件的高性能要求,需要同时获得满足精度要求的环件形状和满足使用要求的组织性能,即要实现钛合金环件的成形成性一体化制造。然而,钛合金环件径轴向辗轧是多模具、多参数、多场耦合作用下的复杂动态时变成形过程,并且该过程通常包含加热、转移、辗轧、冷却等复杂的温度和变形历程,使得钛合金环件成形和组织控制成为具有挑战性的难题。为此,本文采用有限元数值模拟、实验研究和理论分析相结合的方法,对TA15钛合金环件径轴向辗轧变形和组织演变进行了系统深入的研究,主要研究内容及结果如下:实验获得了TA15钛合金热变形全过程的组织演变规律,并分别建立了相应过程的组织演变模型。在温降过程,初生等轴α相长大速率随温降速度的增大而增大,但在相同的温降范围内,低的温降速度会导致较长的冷却时间,生成的初生等轴α相体积分数和晶粒尺寸较大。在温升过程,初生等轴α相溶解速率随温升速度的增大而增大,而在相同的温升范围内,低的温升速度会导致较长的温升时间,最终的初生等轴α相体积分数和晶粒尺寸较小。在压缩变形过程,随应变速率的增大,初生等轴α相晶粒细化程度有所增大,而初生等轴α相体积分数主要由变形温度决定,变形过程对初生等轴α相体积分数的影响较小。确定了环件径轴向辗轧中导向辊、芯辊和锥辊的运动与环件实时外径、高度和厚度的关联关系,进而建立了多轧辊运动控制模型。基于ABAQUS有限元软件,通过VUAMP子程序开发引入多轧辊运动控制模型,并设置虚拟传感器在线实时检测环件外径、高度和厚度,同时通过VUSDFLD和USDFLD子程序开发引入加热、转移、辗轧和冷却阶段的TA15钛合金组织演变模型,实现了多轧辊反馈控制下钛合金环件径轴向辗轧全过程宏微观有限元建模与仿真。并从宏观变形和微观组织两方面实验验证了有限元模型可靠性。探明了环坯轧比Ψ和轴径向变形量比k对TA15环件变形和组织演变的影响规律。结果表明,Ψ较大同时k较小时,圆度误差较大,而其他条件下的圆度都较好;随Ψ增大,高度误差和厚度误差都增大,初生等轴α相晶粒尺寸分布均匀性变差,而初生等轴α相体积分数分布均匀性先变好后变差;随k增大,高度误差减小而厚度误差增大;Ψ较大时,随k增大,初生等轴α相体积分数和晶粒尺寸分布均匀性都先变好后变差;Ψ较小时,随k增大,初生等轴α相晶粒尺寸分布均匀性变差而体积分数分布均匀性变好。综合考虑环件的圆度、截面质量和组织,本文研究条件下确定的优选环坯为:Ψ约为1.7,k为0.3-0.7。基于优选环坯,揭示了环坯加热温度T₀、直径增长速度V_D、轧制速度V₁对TA15环件变形和组织演变的影响规律。结果表明,不同工艺条件下的环件圆度和高度误差都较小,减小V_D和增大V₁能减小厚度误差;T₀决定了初生等轴α相体积分数;提高V_D能改善初生等轴α相晶粒尺寸和体积分数的分布均匀性;增大V₁能改善初生等轴α相体积分数的分布均匀性,但使晶粒尺寸分布均匀性变差。综合考虑环件的圆度、截面质量和组织,确定优选工艺参数组合为:T₀约为相变点以下25℃,保证环件稳定性和不超过设备力能极限的前提下,尽量增大V_D和V₁,本文研究条件下优选的V_D和V₁分别约为40mm/s和1.38m/s。