随着高温高压、高腐蚀油气资源的不断开发,传统高强度铁基和镍基油井管材难以满足严苛复杂的服役工况条件,亟需使用高强韧耐蚀的油井管材。钛合金具有密度低、优良的中高温比强度和极强抗腐蚀等性能,在油气勘探行业应用潜力巨大。然而钛合金热加工过程中存在吸氧倾向严重,组织遗传性较强,变形抗力受温度影响显著等因素,使高强α+β钛合金管材难以加工。因此,本文以TC4钛合金无缝管的热轧工艺流程为主线,结合实验模拟、仿真模拟和现场验证等手段,系统研究钛合金在热加工过程中变形特征及组织演变机制,为优化钛合金管材组织性能控制工艺提供理论依据。针对高温加热对钛合金组织演变的影响作用,开展研究了 TC4钛合金的高温氧化行为和高温β晶粒长大行为。通过钛合金在热加工温度区间的氧化增重及渗氧层生长动力学,明确了氧化层及渗氧层的形成机理。氧化层的形成主要受氧的内扩散和钛、铝的外扩散过程控制,相变温度以上氧化速率加速明显提高。渗氧层在β相变温度上下区间分别呈现粗大板条和细点状形貌,表明其不仅受氧扩散相变控制,还与基体组织状态及取向有关。相变温度以上加热,保温温度提高和时间延长都会导致β晶粒快速长大。综合考虑初始晶粒尺寸、温度和时间的共同影响,引入晶粒生长指数和时间指数,建立了预测高温β晶粒尺寸演变规律的Sellars修正模型,得到β晶粒静态长大激活能Qg=161.0 kJ/mol。为避免β晶粒高温粗化导致渗氧层的加速生长,实际生产中应避免钛合金坯料在相变温度以上进行长时间保温。基于热压缩实验,模拟研究了在β单相区斜轧穿孔变形及变形后待温过程对β相的作用规律。在高温、高应变速率条件下,变形β相是以动态回复为主和晶界弓出动态再结晶为辅的变形机制,动态再结晶后短时待温过程中（＜60 s）发生的后动态再结晶可有效细化β晶粒并提升组织的均匀性。建立了后动态再结晶模型和晶粒长大模型,得到了低于β晶粒静态长大激活能的后动态再结晶晶粒长大激活能QPG=117.5 kJ/mol,表明后动态再结晶组织更易粗化。根据β单相区连续冷却转变实验,明确了连续冷却的片层结构组织主要特征是集束尺寸及片层厚度变化同初始β晶粒尺寸变化呈正相关性,集束α尺寸显著影响着钛合金的强度、塑性及韧性,符合Hall-Petch关系,其中冲击裂纹扩展路径受组织界面状态和集束α尺寸共同影响和控制。通过研究钛合金连续冷却组织在α+β两相区的热变形行为,发现软化机制随着温度升高和应变速率降低,由动态再结晶向动态回复转变。在靠近相变温度的两相区变形（＞900℃）,为β晶粒动态再结晶和α相破碎（晶界α分离、片层α不连续动态再结晶）的协同变形机制;在较低两相区温度（＜900℃）变形,为集束片层α的连续动态再结晶球化机制。在高应变速率条件下易出现绝热剪切和局部流动失稳现象,造成组织的不均匀。建立了基于应变补偿的Arrhenius模型和基于位错密度理论与动态再结晶软化机制的分段本构模型,并构建了两相区热加工图。失稳区随着应变的增加而变大,在两相区适宜热加工区域为变形温度850-920℃,应变速率为0.01-1 s-1。结合有限元模拟连轧及定减径研究,验证了加工温度区间的合理性。通过设计不同热轧实验模拟钛合金无缝管热加工过程,研究两相区不同形变热处理工艺对钛合金组织演变及力学性能的影响机制。采用“近相变温度变形+在线固溶+小变形”工艺获得了长片层α+交错短片层α+球化α的组织,显著提升了强度和冲击性能。现场生产结果显示,应用在线固溶工艺生产的热轧TC4钛合金无缝管无需经复杂离线热处理即可获得高强韧性,其抗拉强度和冲击功较常规工艺制备的热轧钛管分别提升了 8.0%和6.4%。微量Ni、Nb添加的TC4合金经强化作用抗拉强度可达1021 MPa,屈服强度为948 MPa,延伸率为14.1%,0℃冲击功为44.9 J。