双相钛合金的力学性能与其显微组织紧密相关,各组成相的类型、相体积分数、平均晶粒尺寸均为评价其显微组织的重要指标。目前,金属材料的显微组织通常采用金相法等具有破坏性的方式进行取样检测。这类方法能够直观获取试样显微组织图像,但需要复杂的制样过程,难以对生产现场突发的产品质量波动进行及时识别与干预。在钛合金板带的生产流程中,实现显微组织的快速、无损检测,根据检测结果及时调整生产工艺,对于产品质量稳定性的提升具有极为重要的意义,是实现钛合金板带智能制造过程中的关键环节。本文基于激光超声技术在自主搭建的激光超声动态无损检测实验平台开展相关实验研究。通过分析超声波在双相钛合金复杂显微组织中的传播特性,结合金相实验的分析结果,分别建立了双相钛合金中初生α相体积分数、总体平均晶粒尺寸以及各相平均晶粒尺寸的表征模型。本文取得的主要创新性成果如下:（1）搭建了一套用于金属材料显微组织检测的激光超声检测系统。该系统通过脉冲激光器在待测试样内部激发超声波,利用双波混合干涉仪在对侧接收携带显微组织信息的超声波信号,实现了超声波的远距离激发和接收。采用基于PXle总线的高速信号采集系统,利用队列的方法进行存取数据,并嵌入MATLAB程序进行信号处理,实现了超声波信号的实时高速连续采集存储和分析。（2）基于超声波在不同显微组织特征试样中传播速度的差异,实现了双相钛合金初生α相体积分数的检测。首先,对超声波信号中超声波飞行时间进行提取,结合被测试样的厚度计算出超声波的速度。然后,根据不同相变产物杨氏模量的区别,分析初生α相体积分数对超声波速度的影响规律。最后,分别建立适用于空冷试样和水淬试样的初生α相体积分数的表征模型。两个模型中相体积分数与超声纵波速度的线性拟合优度R2均高于0.963,体积分数表征误差小于9.34%。（3）基于超声波衰减特性实现了双相钛合金等轴组织、双态组织、魏氏组织中平均晶粒尺寸的检测。由于双相钛合金晶粒形貌较为复杂,综合分析晶粒形状、弹性各向异性程度、晶粒尺寸对超声波散射衰减的影响后,根据晶粒尺寸与波长的相对关系确定了散射机制与散射单元。在瑞利散射区,建立了适用于等轴组织、双态组织、魏氏组织的晶粒尺寸表征模型,三个模型衰减系数与晶粒尺寸三次方的拟合优度R2均高于0.969。（4）基于多个超声特征参数实现了双相钛合金中各相平均晶粒尺寸的检测。分别从时域、频域的角度,对超声波信号中的信息进一步挖掘。根据β转变组织的结构特点,提取并计算了各试样中时域幅值衰减系数、中心频率偏移量、频域衰减系数谱在内的多个超声特征参数。建立了基于BP神经网络的β转变组织平均晶粒尺寸表征模型,表征模型拟合优度R2高于0.937。结合前述方法求出的相体积分数、总体平均晶粒尺寸,对初生α相的晶粒尺寸进行计算。经过验证,晶粒尺寸表征值与统计值的最大偏差约±0.6μm,最大误差为9.72%。