TC21合金因其较好的综合性能,被用于各类结构锻件及零部件,它是一种高强高韧型钛合金。钛合金中的组织形貌、晶粒尺寸等因素将会决定其力学性能的优异,因此对TC21合金的显微组织进行有效的调控是非常必要的手段。通过目前的研究现状来看,TC21合金多集中于单一的热处理方式,例如改变冷却方式或者简单的固溶+时效处理,这不能同时调控α相的含量及形貌。现在通过多级热处理来调控α相形貌和数量的研究也不多,但α相的形貌和数量却又是影响该合金的关键因素。本文分别在TC21合金的β,α+β两个相区进行高温+低温固溶及时效的多级热处理,从而研究各级热处理对等轴α相,片层α相以及弥散α相的数量及形貌调控规律,进一步观察显微组织的变化对其力学性能的影响。最后通过原位拉伸手段来进一步研究TC21合金的变形行为,实时观察不同体积分数的α形态(等轴/片层)在拉伸过程中的滑移情况,裂纹的萌生及扩展规律。得出以下主要结论:1.在β相区多级热处理时,一级固溶热处理主要调控一次片层α相的形貌及尺寸;二级固溶热处理主要调控二次片层α相的数量,相比于一级热处理,TC21合金的抗拉强度有所增加,延伸率降低;三级热处理主要调控弥散α相的数量,抗拉强度增加,但延伸率及冲击韧性降低。综上所述,炉冷的试样在三级热处理后具有较好的综合力学性能。2.在α+β相区多级热处理时,一级热处理调控了等轴α相数量和尺寸,随着冷速的增加,等轴α相数量逐渐减少,三组试样的屈服强度、抗拉强度不高,但延伸率与冲击韧性较好;二级热处理主要调控片层α相的数量及厚度,拉伸强度和屈服强度增加,延伸率降低;三级热处理主要调控β转变组织中的弥散α相形貌及数量,炉冷及空冷的抗拉强度、屈服强度最高,水冷有所下降。综上所述,经过三级热处理后,炉冷试样具有良好的综合性能。3.通过对α形貌(等轴/片层)的不同体积分数的原位观察,滑移带首先出现在等轴α相内,并且易截断于α/β相界处,但在全片层组织中易穿过片层α相滑动;微裂纹容易产生于等轴α相内或者α/β相界处;等轴α相与片层α相混合共存时,其强塑性优于全片层α组织,当α相中等轴/片层的比值为3:4时,可以保证TC21合金的强塑性好且裂纹扩展速率慢,从而获得较好的综合性能。