钛及钛合金具有轻质、非磁、高比强、高比刚、高耐蚀等优异特性而广泛应用于航天航海领域，但钛合金冷变形抗力大，高温塑性成形是钛类零件制造的主要方法，探究钛合金高温变形过程的微观组织演变和介观物理机制对预测钛合金产品性能具有重要的现实意义。基于Gleeble-3500型热模拟机上的等温压缩实验，研究了TA15钛合金在相变点以上不同变形温度、应变程度、应变速率对高温流变行为及组织演变的影响，结果表明：相变点以上的软化机制主要为动态回复，随着变形温度的升高和应变速率的越低，试样屈服应力和峰值应力显著降低，也表明TA15钛合金是应变速率和变形温度敏感材料。分析结果可为合理热加工工艺规范制定以及工艺参数优化提供理论依据。由于高温变形实测研究的特殊性，本文采用晶体塑性有限元来描述相变点以上TA15钛合金变形过程的介观物理机制和力学响应，高温变形初始组织是基于EBSD检测得到的数据和正常长大的元胞自动机方法得到的。以多晶体位错滑移及塑性流动机制为基础，探究了TA15钛合金在高温变形过程中介观层次上形变不均匀性和力学响应。基于率相关晶体塑性理论，建立了描述体心立方结构高温相力学行为的本构模型，同时考虑了主滑移系和次滑移系的运动；确定了合理的材料本构参数，晶体塑性模拟与高温压缩实验得到的真应力-应变曲线基本一致。通过对TA15钛合金高温变形模拟结果进行分析，包括应力和应变分布、滑移系开动情况、形变储存能和晶界面积变化，得出:由于晶粒几何取向的随机性造成应力和应变分布非均匀性；形变储存能分布与应变分布的特点一致，根据位错理论可以得出不同变形条件下形变储存能值；晶粒间相互作用的复杂性会导致各个滑移系开动的差异性；形变程度越大，晶粒密度越大，晶界面积变化率越大。模拟结果为相变等显微组织演变及多尺度同步耦合提供了参考。