钛合金薄壁筒形构件是高端空天运载装备发展急需的关键构件,轧-旋连续成形融合了环轧和旋压的技术优势,能够突破原有工艺成形极限、拓展成形构件尺寸极限,是亟待研究和发展的一种成形该类构件的先进技术。然而,轧-旋连续成形是多场耦合、多参数影响、多模具约束下的多道次不均匀热变形过程,该过程中的材料微观组织演化及损伤断裂行为十分复杂并且互相影响,导致易出现断裂缺陷从而限制其成形极限的提高。为提高构件成形极限,面临如何精确预测与控制微观组织演化和损伤断裂行为的挑战性难题。为此,本文采用实验研究、理论分析和有限元数值仿真相结合的方法,对TA15钛合金薄壁筒形构件轧-旋连续成形微观组织演化和损伤断裂行为与机制以及成形极限进行了深入系统的研究,主要研究内容和结果如下:通过热拉伸实验研究揭示了TA15合金两相区热变形行为和微观组织演化机制及规律,发现其微观组织演化机制为动态再结晶,动态再结晶的出现使流动应力呈现流动软化特征。随着温度的增加和应变速率的减小,流动应力呈现应变速率和温度敏感特征,动态再结晶机制从连续动态再结晶转变为非连续动态再结晶,动态再结晶体积分数逐渐增大,流动软化趋势越来越显著。研究阐明了TA15钛合金热变形在复杂组织演化和应力状态下的损伤断裂行为与机制。发现微孔洞演化导致材料的损伤断裂:微孔洞首先在α/β相界面或是β转变基体内形核,随后沿着相界面长大并呈现不规则椭圆形,最终由于韧带颈缩沿相界面聚合形成裂纹。随着动态再结晶体积分数的升高,相界面和晶界面处应力集中程度降低,使得微孔洞形核率降低,长大趋势放缓且呈现细长椭圆形,聚合间距变短且聚合更难发生,断裂应变呈指数规律增大。而随着应力三轴度的增加,拉伸断口处剪切带数量明显减少,韧窝数量明显增多,韧性断裂机制从剪切型逐渐转变为韧窝型,断裂应变先增大后减小。基于上述微观组织演化特征,以位错密度为内变量,考虑温度和应变速率对动态再结晶程度和Hall-Petch系数的影响,建立了微观组织模型。进而基于GTN模型,采用指数函数描述了微孔洞形核应变,生长系数和临界孔洞体积分数随β相和动态再结晶体积分数的变化规律,同时引入应力状态系数表征剪切作用对微孔洞演化的作用,实现了耦合微观组织演化和应力状态的损伤断裂建模。然后采用损伤断裂模型对微观组织模型计算的初始流动应力行修正,建立了耦合微观组织和损伤断裂的TA15钛合金热变形统一本构模型,并采用遗传算法与反算法求解得到其模型参数。应用该模型,实现了TA15钛合金热变形下微观组织和损伤断裂的统一预测。在上述研究工作基础上,建立了耦合微观组织和损伤断裂的TA15钛合金薄壁筒形件轧-旋连续成形全过程三维有限元模型并验证了其可靠性。采用该模型,研究获得了TA15钛合金轧-旋连续成形的微观组织和损伤分布与演化规律:在环轧过程,β相和动态再结晶体积分数最小值分别出现在环件外表面和芯部,微孔洞体积分数在环件上下两端内、外表面区域较大;β相和动态再结晶以及微孔洞体积分数由于轧辊的周期性接触呈现不连续增长。而在旋压过程中,β相和动态再结晶体积分数最小值均出现在旋压件内表面,微孔洞体积分数最大值出现在旋压件的内表面;β相和动态再结晶以及微孔洞体积分数仅在旋轮作用区增大。旋压过程的微孔洞体积分数远大于环轧过程,表明轧-旋连续成形中断裂最有可能发生在旋压成形过程中工件的内表面。研究揭示了轧-旋关键成形参数对微观组织演化和损伤断裂的定量影响规律。据此设定微观组织参数范围(β相体积分数大于10%,动态再结晶体积分数大于25%),采用逐步搜索方法获得旋压成形过程极限减薄率,确定了不同成形参数条件下的成形极限变化规律并获得了最优成形极限的成形参数组合:温度850℃;4旋压道次;旋轮进给比1.5mm/r;旋轮圆角半径25mm,为实现钛合金薄壁筒形构件轧-旋连续成形极限的提高奠定了重要基础。