钛合金因密度小、比强度高、优良的耐腐蚀性和热强性等优点,而日益成为航空航天中重要的结构材料,被广泛应用于飞机结构件制造。TA15钛合金是一种高铝当量的近α型钛合金,同时具有α型和（α+β）型钛合金的优点,其名义组分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V,在室温和高温下强度性能优异,能够长时间在500℃下工作,主要用于飞机结构件和发动机上,是一种重要的航空材料。传统的方法主要是通过热变形和热处理工艺改善材料的组织性能。多向锻造工艺作为一种典型的大塑性变形方法,与等径角挤压和高压扭转等大塑形变形方法相比,工艺简单不需要其他特殊的设备即可制备各种形状的大块致密材料,节约了成本。变形过程中,材料在外加载荷的变化下,在三个轴向被反复的压缩和拉长,最终达到细化合金晶粒组织,改善材料性能的效果。本文利用非限制性多向锻造模具结构,在坯料700℃、800℃、900℃对TA15钛合金分别进行了不同道次的多向锻造试验,通过金相观察及EBSD技术从不同尺度研究了变形道次对TA15钛合金材料的显微组织形貌、晶粒取向及晶界演变的过程。结果表明:分析其在变形过程显微组织演化规律,探究晶粒细化行为及机理,为改性TA15钛合金提供一种新的思路;同时研究TA15钛合金多向锻造后热处理剪切带组织的演化规律,探究其演化机理,对TA15钛合金材料成形性能改善及实际应用具有重要意义。对MDF变形TA15钛合金进行显微硬度、室温拉伸性能测试及不同保温时间的真空退火试验,结合材料微观组织的演化特点分析TA15钛合金多向锻造变形的强韧化机理和再结晶热稳定性。结果表明:TA15钛合金组织经过多向锻造后晶粒尺寸得到明显细化,增加变形道次和降低变形温度对组织细化有促进作用。在变形过程中,中心剪切区域由于绝热温升效应易形成变形带组织,使晶粒得到进一步程度的细化。多向锻造变形过程中主要的细化机制为动态再结晶细化、机械破碎和变形带细化。针对TA15钛合金在MDF变形过程中形成的变形带现象结合中高温真空退火试样（1～3道次,2h）的金相观察和EBSD测试研究了变形道次对TA15钛合金材料的显微组织形貌、晶粒取向及晶界演变的过程。结果表明:随着退火时间的增加,试样的变形带组织发生明显改善,组织等轴化程度不断提高,晶粒尺寸逐渐增大,增加的趋势逐渐减缓。与初始试样相比组织中大角度晶界含量占比增加,退火过程中主要发生晶粒的回复、静态再结晶和部分晶粒生长以及α相的析出。对变形前后的TA15钛合金试样进行了室温拉伸性能测试以及硬度测试,对变形热处理的试样进行了相应的硬度测试。结果表明:多向锻造后试样的屈服强度和抗拉强度以及延伸率随变形道次的增加而升高,但断后延伸率小于初始试样。在700℃、3道次变形后才材料的屈服强度和抗拉强度最大可分别达到1158MPa和1443MPa;随着变形温度的升高,材料的延伸率有所增加,在900℃、3道次变形时材料的延伸率可达到15.8%高于初始试样的14.3%。材料的硬度也和材料的强度呈现相同的变化趋势,最大硬度可达379HV,比初始试样增加35.4%。材料经热处理后硬度呈现不同程度的下降,且随着保温时间的增加而减小,但减缓趋势逐渐减小。