TA15钛合金作为轻质耐热中高强钛合金,在我国航空航天和军工等领域被广泛应用,然而受控我国运载装备和国防军事技术的快速发展以及服役环境的持续恶化,进一步提高服役性能、实现钛合金构件形性一体化制造成为工程领域亟需解决的关键问题,并成为现阶段研究发展的前沿和主要趋势。作为典型的难变形材料,传统成形过程中加工窗口窄、变形抗力大、变形组织不均匀、热处理强化有限、晶粒粗化及表面氧化严重等问题严重制约了 TA15钛合金的发展和应用。多向锻造技术作为代表性大塑性变形技术（SPD）,具有强烈的组织细化和性能改善作用,且相比其他大塑性变形技术具有更加明显的工艺和产业化优势,进而成为实现TA15钛合金构件形性一体化制造的一种重要途径和方法,是迫切需要研究发展的大塑性变形技术。基于微观组织对性能的决定性作用,如何实现微观组织的精确调控成为该成形工艺研究发展与应用关键所在。然而,对TA15钛合金在再结晶温度以下进行多向锻造（温热多向锻造（warm multi-directional forging））是多参数、多工序作用下的复杂物理过程,因而对其微观组织进行预测和精确调控以及大塑性变形后与组织演变相关的强化机理成为极具挑战的技术难题。本文采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法,对温热多向锻造TA15钛合金的微观组织演变和综合性能进行了深入系统的研究,主要研究内容及结果如下:通过热模拟压缩实验获得了 TA15钛合金温热单向变形行为和组织演变机制,发现TA15钛合金在600℃～800℃温度区间均发生流动软化,在600℃变形时,TA15钛合金的软化机制以初生α相的动态回复为主,辅以次生α相的球化和动态再结晶;在700℃～800℃变形时,次生α相的球化和动态再结晶作用增强,并逐渐占据主导地位。系统研究了变形温度、应变速率对合金的初生α相体积分数、平均晶粒尺寸、轴比等微观组织参数的影响规律,发现变形参数对初生α相体积分数影响不大,但变形后初生α相晶粒在动态破碎机制作用下均发生了一定程度的细化,且温度越低,细化作用越明显,但总体细化程度较小。初生α相晶粒尺寸和轴比主要受变形温度影响,随变形温度的降低,平均晶粒尺寸不断减小,轴比不断增大,应变速率的影响并不明显。依据温热单向变形实验结果,对基于内变量法高温变形微观组织演化模型的温度适用范围进行了修正,通过与初生α相平均晶粒尺寸实测值对比发现其预测的平均误差仅为1.2%,对其可靠性进行了验证。在600℃～800℃条件下完成了 TA15钛合金温热多向锻造实验,利用OM、EBSD以及TEM等表征手段对变形组织进行分析,结果表明,随着压下量或变形道次的增大,初生α相和次生α相的尺寸及轴比均呈下降趋势;随着变形温度的降低,初生α相的尺寸及轴比呈现下降的趋势,而次生α相对应的组织参数总体呈现上升的趋势。且当变形温度升高至800℃时,初生α相体积分数明显下降,材料发生形变诱导α→β相的转变。在连续的多道次变形、相对较低的应变速率以及变形温升等的共同作用下促使相变温度下降。揭示了温热多向锻造TA15钛合金组织细化机制,发现在600℃时,晶粒细化机制随变形道次的增加发生转变,1道次时以微观变形带引起的晶粒动态机械破碎机制为主,连续动态再结晶机制为辅;随变形道次的增加,形变诱导连续动态再结晶机制逐渐占据主导,获得尺寸分布较为均匀的等轴细小晶粒,其平均晶粒尺寸约为1.21μm。将经温度适用范围修正后的温热变形微观组织演化模型应用于TA15钛合金多向锻造,发现在600℃、60%和3道次时,初生α相平均晶粒尺寸计算值和实测值间误差高达56.4%,且随变形温度的升高,计算值和实测值的变化趋势截然相反。阐明了模型预测精度较低的原因,并基于位错动力学及非平衡大角度晶界演化理论建立了 TA15钛合金温热多向变形组织演化内变量模型,验证了该模型的可靠性。采用准静态拉伸实验对温热多向锻造TA15钛合金力学性能进行测试,结果表明,压下量、变形道次的增加或变形温度的降低可以有效提高合金强度,但延伸率下降明显,合金准静态拉伸过载断裂有由韧性断裂向脆性断裂转变的趋势。采用经典的强化模型定量估算了组织演变对材料性能的作用机理,发现经温热多向锻造后,TA15钛合金屈服强度的提高主要由细晶强化和位错强化共同作用造成,且随变形道次的增大或变形温度的降低,细晶强化和位错强化的贡献不断增大;基于屈服强度实测值与计算值之间的误差分析证明了由SPD形成的特殊晶界结构和性质也对材料的屈服强度有着十分重要的影响。基于静态粗化理论对温热多向锻造TA15钛合金初生α相以及次生α相在服役温度（450℃）条件下长时保温过程生长动力学进行分析,研究其组织热稳定性,结果表明,初生α相热稳定性较差,在沿位错芯扩散粗化机制主导作用下组织长大明显;次生α相则表现出较好的组织热稳定性,经150h后,晶粒增大幅度仅为4%。