本文设计并开发了TA15钛合金三态组织的新型热处理工艺；利用Image-proPlus软件对微观组织进行定量表征；借助光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了热处理工艺对三态组织形态的影响；通过室温和高温拉伸试验以及冲击韧性试验，对三态组织TA15钛合金的力学性能进行了评价；基于人工神经网络建立起了TA15钛合金三态组织热处理工艺-组织的预报模型。　　研究结果表明：通过两次热处理工艺可以得到三态组织，即等轴α相，条状α相和β转变相。工艺为：　　1)一次热处理工艺，在α+β/β相变点以下10～15℃保温，水冷；　　2)二次热处理工艺，在α+β/β相变点以下40℃保温，空冷。　　进一步研究表明，随着一次热处理温度的升高，等轴α相的体积分数下降。当温度升高到相变点以下10～15℃时，等轴α相的体积分数迅速下降。随着二次热处理温度的升高，条状α相的体积分数和长径比均降低；随着二次热处理时间的延长，条状α相长大，其长径比呈现先降低后增加的趋势。　　力学性能测试结果表明，三态组织具有比网篮组织、双态组织更加良好的综合力学性能，在不损失强度的情况下可保持良好的塑性和韧性。经965℃保温20分钟+水冷，然后930℃保温1小时+空冷获得的三态组织，其抗拉强度和延伸率，比网篮组织提高了2.5％和53%；三态组织抗拉强度、延伸率和冲击韧性比双态组织提高了4.6%，30.5%和63.6%。三态组织500℃高温抗拉强度比网篮组织和双态组织分别提高了4.7%和6.8%。断口分析表明，三态组织的主要断裂方式为韧性断裂，韧窝分布均匀。　　最后，在人工神经网络的基础上，以一次热处理温度、二次热处理温度和二次热处理时间为输入参数，等轴α相体积分数、条状α相体积分数和条状α相长径比为输出参数，建立了结构为3×6×6×3的热处理工艺-组织预报模型。利用该网络模型可以很好的建立起热处理工艺和组织之间的关系，从而能够指导热处理生产实践。