TC21钛合金是我国研制的具有独立知识产权α+β型高强高韧钛合金,因具有强度高、韧性好及优异抗疲劳性能,广泛应用于新一代飞机机翼接头、机身与起落架连接框及吊挂发动机接头等对强韧性要求高的重要承力部件。钛合金组织等轴化可使其具有优良的强塑性能,因而本文采用多向锻造和热处理进行TC21钛合金组织微细等轴化,对提高该合金构件的力学性能具有重要的理论意义和实际应用价值。本文对片层态TC21钛合金进行了多向锻造和后续热处理实验,分析了多向锻造对合金α+β片层组织动态球化（等轴化）的影响,研究了多向锻造过程中α+β片层组织动态球化演变规律;研究了后续热处理对α+β片层组织静态球化的影响规律,探讨了合金α+β片层组织动态球化和静态球化机理。主要研究结论如下:研究了多向锻造过程中α+β片层组织动态球化演变规律。结果表明,TC21钛合金α+β片层组织多向锻造时会发生球化现象,其热变形机制主要是由片层组织球化支配。随多向锻造温度升高,合金片层组织球化体积分数和球化晶粒尺寸增加。锻造温度高于940℃时球化组织会粗化,锻造温度低于850℃时片层组织不易球化,且变形组织不均匀。增加锻造周期和单道次锻造变形量会促进合金片层组织球化,球化体积分数和球化晶粒尺寸减小。从获得均匀细小变形组织考虑,合金在锻造温度910℃、单道次锻造变形量50%、锻造3周期时可获得晶粒尺寸为2μm的球化组织。研究了后续热处理对α+β片层组织静态球化的影响规律。结果表明,后续热处理会进一步促进多向锻造组织的静态球化。加热温度是影响合金多向锻造组织静态球化的显著影响因素,随加热温度升高,球化体积分数增加,但加热温度高于940℃时,球化组织会粗化,低于860℃时,静态球化效果不佳。随保温时间延长,合金静态球化越明显,但在较高加热温度（＞940℃）时过长保温时间（＞2h）会导致静态球化晶粒快速长大,不能获得均匀细小组织;从获得均匀细小变形组织考虑,适宜的多向锻造变形及后续热处理工艺参数为:880℃～910℃下三周期多向锻造,热处理加热温度在900℃左右,保温时间在1～2h,在该条件下可获得微米级均匀球化组织。探讨了合金α+β片层组织动态球化和静态球化机理。结果表明,多向锻造时片层组织动态球化是由α片内动态再结晶与β相向α/α边界楔入共同作用的结果,α片被β相楔入分割成晶粒串而形成球化晶粒。α片内存在亚晶,热蚀沟槽是β相优先楔入位置,α/α亚晶界界面张力与α/β相界界面张力不平衡是形成热蚀沟槽和β相楔入的主要原因。多向锻造后α相片存在大量亚晶,小角度晶界（LAGBs）可达62%,后续热处理后α相片内部小角度晶界（LAGBs）数量明显降低,出现亚晶合并转变成大角度晶界（HAGBs）。合金片层组织静态球化机制是以α相片静态再结晶为主。