钛合金因其比强度高、热强性好、抗腐蚀性强等优点而应用于航天航空、汽车、船舶等领域。在成形或服役阶段,不仅对钛合金零件的成形精度与成形极限提出了一定要求,还对成形质量有一定期望。目前,钛合金高温热蠕变成形和氢致塑性工艺均已获得广泛的应用,两者的结合是进一步提高钛合金塑性、解决复杂曲率构件成形困难的潜在手段。TC4钛合金是当前应用量最大的钛合金,本文以此为研究对象,系统地探讨了钛合金高温应力松弛与蠕变行为特性,可为钛合金热蠕变成形工业应用提供一定的参考价值。基于经典的Maxwell指数衰减函数,引入时间硬化因子,提出了描述应力松弛行为的改进模型。与原有模型相比,改进模型具有拟合参数较少而精度较高的优势。研究了晶粒尺寸对TC4钛合金高温应力松弛行为的影响,结果表明:合金的蠕变应变速率和到达1.5SRL所需的松弛时间均随着合金材料的晶粒尺寸的增大而减小,而应力松弛极限SRL则随晶粒尺寸的增大而增大,且与平均晶粒尺寸存在良好的线性关系。随着晶粒尺寸的增大,应力指数从1.260逐渐增大到2.144。尽管应力指数范围较窄,但仍然表征了不同的应力松弛机制,通过EBSD、透射电镜分析等多种手段可以发现:对于原始晶粒尺寸的TC4钛合金而言,扩散蠕变、晶粒转动与晶界滑动是主要的应力松弛机制。当晶粒尺寸逐渐增大后,松弛机制转变为位错滑移、刃型位错攀移,动态回复甚至发生连续动态再结晶。探讨了置氢对合金微观组织形貌、高温蠕变行为、应力松弛行为的影响。通过光学显微分析、扫描电镜分析等手段,发现合金β相含量随着氢含量的增加而增大,且相继析出α′和α′′马氏体。热氢处理后,合金的α/β相界、α/α相界的宽度显著增加,且α/β相界宽度更大。氢的加入促进了蠕变的进行,且氢在减速蠕变阶段和稳态蠕变阶段起到软化合金的作用,而在加速蠕变阶段则以脆化合金为主。置氢后,钛合金的蠕变速率对初应力和蠕变温度更加敏感。与置氢促进蠕变的机理一致,氢的加入提高了应力松弛速率,减小了应力松弛极限。在服役过程中,钛合金零部件可能承受高温条件下的力循环载荷作用。研究结果表明,TC4钛合金应力松弛速率随着温度的升高而加快。在600-690℃区间,应力松弛极限则随温度升高而减小,从10.79MPa降至4.36MPa;当温度高于690℃,应力松弛极限减小至接近零。控制预应变的初应力则随温度升高而近似线性减小。TC4钛合金不同温度下力循环应力松弛曲线表明,力循环周期数越小应力松弛就越快,松弛残余应力越小。通过经验方程拟合,可以得到相应的应力松弛抗性,结果表明循环周期数越小,累积的抗性越大。试验范围内,力循环应力松弛后,TC4钛合金的室温力学性能变化不大。