作为高推比航空发动机的重要构件之一,钛合金双性能整体叶盘结构的设计和制造已被各航空大国视为先进发动机的发展方向之一。其中,定量控制片状组织的球化演变是制造钛合金双性能整体叶盘的核心技术。因此,在对两相区热加工过程中组织演变进行观察和分析的基础上,深入研究片状组织动态球化过程中的组织演变机理,建立片状组织动态球化的预测模型,研究变形后热处理过程中片状组织演变的规律和机制,建立组织中微观组织特征参数与高温拉伸性能间的预测模型,均具有重要的学术研究价值和工程实际应用价值。本文以航空发动机重要选用材料之一的TC17钛合金为研究对象,以实验和理论分析为主,辅以有限元数值模拟的研究思路,对热加工过程中片状组织的球化演变过程进行了深入研究,主要研究内容及结果如下:与之前研究多采用热模拟压缩试验研究钛合金组织球化行为不同,本研究以5kg级TC17钛合金圆饼为研究对象,研究了初始组织为片状组织的TC17钛合金的动态球化过程中组织演变,对TC17钛合金动态球化机制及β相在球化过程中发生的组织变化进行了探讨,并讨论了α相与β相间的Burgers关系变化。研究表明:变形初期片状组织内部首先在动态回复作用下形成位错亚结构,亚晶界均为小角度晶界。随着变形的增大,在应力集中较为严重的部位,亚晶界转化为大角度晶界导致片状α的破裂。为了降低表面能,破碎α相的相界通过扩散作用继续迁移,最终实现α相的球化。在热变形过程中,基体β相也会发生明显的连续再结晶。在此过程中,α相起到第二相的作用,并在其周围塞积大量位错。随着变形程度的不断增加,这些位错转变为分割基体β相的亚晶界。因此当β相最终发生再结晶后多以α相颗粒为边界。当变形温度足够高时,β相会有很高的再结晶和长大速度。热变形破坏了TC17合金初始片状组织中α相和β相间严格的Burgers关系,片状组织的稳定性遭到破坏。热变形过程中α相和β相均发生较为明显的位向变化,这是造成α相与β相间严格Burgers关系破坏的根本原因。在热模拟压缩试验和定量金相技术的基础上,定量地研究了变形过程中热变形参数对片状组织球化的影响,以Avrami方程的形式建立了可应用于工程实际的、定量考虑工艺参数对微观组织演变影响的动态球化预测模型。通过二次开发,将所建模型以子程序形式嵌入商用有限元模拟软件Deform-3D,从而实现了组织演变预测和工艺参数优化的功能。对比分析大规格台阶形工件等温锻造试验后不同部位的显微组织及其对应的有限元模拟的结果发现,所建立模型可以合理地预测热变形过程中的动态球化体积分数变化(其百分比误差低于14.3%),这也验证了所建模型的准确性和可靠性。通过对经不同变形量等温锻造后的TC17钛合金饼坯进行热处理实验,研究了热处理过程中片状α相的组织演变规律,研究了应变量和热处理时间对片状组织演变的影响,探究热处理过程中片状组织演变的主要机理。研究发现:应变量和热处理时间对热处理过程中的片状组织演变均有较大影响。变形量的增加和热处理时间的延长均有利于片状组织的进一步球化转变。热处理过程中的片状组织演变可以分为两个阶段,第一个阶段发生在热处理初期,主要受晶界分离机制影响;第二个阶段发生在中后期的长时间热处理过程中,主要影响机制是组织粗化机制。采用BP人工神经网络模型,建立了显微组织特征参数与高温拉伸性能间的定量预测模型。模型以微观组织特征参数(初生α相体积分数、初生α相Feret ratio和次生α相体积分数)作为输入参数,以高温拉伸性能(抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率)作为输出参数。随后,采用非训练样本的试验结果对所建模型进行验证。其中高温抗拉强度的最大绝对误差为5.7MPa,高温屈服强度间的最大绝对误差为6.2MPa,延伸率和断面收缩率预测值与实验值间的最大相对误差均小于9%。以上结果表明本研究所采用的建模方法是可行的,所建模型具有较高的预测精度,基本可满足工程应用的需要。