γ-TiAl金属间化合物由于比强度高、良好的抗蠕变及抗氧化能力等特点，成为航空、航天、能源及汽车工业极具竞争力的新型高温结构材料。变形TiAl合金可以通过热机械处理优化组织，具有较大的性能改善空间。近年来，变形TiAl合金的成分设计及组织一性能关系研究已取得了较大进展，开坯成形方法也有广泛研究。但由于TiAl合金铸态粗大的层片组织及其本身具有的变形各向异性和TiAl合金开坯热加工技术的研究尚不完善，开坯后材料中的组织均匀性尚不理想，制约了其工程实用化的发展。因而，本文选题为“钛铝合金开坯过程的数值模拟研究”，通过大量的高温热压缩实验，建立了Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni(at.％)合金开坯过程的流变应力本构模型和变形组织预报模型，并将其嵌入商业化有限元模拟软件，预测了TiAl合金锭坯在不同工艺参数条件下的开坯效果，为实际开坯工艺方案的制定提供参考。　　 本文在Gleeble-1500热模拟试验机上进行了Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr-0.3N1合金变形温度1000℃-1200℃、应变速率0.001s-1-1.0s·1范围内的高温热压缩实验，对获得的高温流变行为数据进行回归处理，建立的高温流变应力本构方程为σ=45.47(lnε+4.66×105/RT-30.34)，得出的变形激活能为466KJ/mol。考虑实际工况构建了TiAl合金锭坯降温过程的温度场模型，并进行了实验验证。对比有限元预测结果和实验测量结果，在TiAl合金开坯实际操作时间(小于100秒)范围内预测值与实测值误差不大于10℃，则所建立的温度场模型可用于TiAl合金有限元变形-传热的耦合模拟。根据热压缩试样组织的定量金相统计结果，建立了TiAl合金三维再结晶图。分析表明，该合金热压缩试样中的动态再结晶体积分数和动态再结晶晶粒尺寸在实验温度范围内受温度的影响较小，主要取决于应变速率和变形量。透射电镜观察发现，较低变形量的TiAl合金热压缩试样组织中分布有光学显微镜下难以观察到的小尺寸初始动态再结晶晶粒，但其最大体积分数不超过2％，对定量金相实验统计结果的准确性不会构成显著影响。因而，根据定量金相统计的结果建立了TiAl合金热变形过程中的动态再结晶百分数模型和动态再结晶品粒尺寸模型。已有实验发现采用两步锻造工艺累积85％变形量，可得到TiAl合金变形组织均匀和完整性较好的锻坯。为检验有限元数值模拟预测结果的可信度，同时分析累积变形量达85％两步锻造开坯实验结果的必然性和偶然性，本文将所建立的流变应力本构模型和变形组织预报模型嵌入商业化有限元模拟软件，对TiAl合金两步锻造开坯效果进行了预测和实验验证。对比发现，有限元模拟预测的动态再结晶体积分数与实测统计结果的误差最大为5.70％；动态再结晶晶粒尺寸与实测值的误差不大于1.62μm，可见，所建立的组织预报模型基本可用。根据误差分析，对TiAl合会变形组织预报模型进行系数修正，应用修正后的组织预报模型预测的动态再结晶体积分数与实测统计结果的误差减小到不超过1，97％：动态再结晶晶粒尺寸与实测值的误差也减小至不大于0.35μm，即系数修正进一步提高了有限元数值模拟预测结果的准确度。有限元模拟表明，累积达85％变形量的两步锻造坯料中应变场、温度场、应变速度场的均匀程度已很高，坯料中90％以上区域的动态再结晶体积分数已超过80％，因而，两步锻造累积变形量达85％即可以达到理想的开坯效果有其必然性。　　 本文所建立的流变应力小构模型和商业化有限元模拟软件，分析了挤压模具半锥角和挤压比对TiAl合金热挤压等效应变的影响，还进行了等通道弯角挤压模具内外圆角优化设计。有限元模拟表明，一定挤压比条件下，挤出棒材中等效应变的数值随模具半锥角增加而升高：等效应变的均匀性也随着半锥角的增加而增大，但半锥角达60°后等效应变的均匀性随着半锥角的增大而略有降低。固定模具半锥角为60°条件下，获得等效应变分布均匀的TiAl合会挤出棒材要求挤压比大于6，且挤压比愈大，应变的均匀程度愈高。应用有限元模拟优化设计的60°半锥角模具成功的进行了TiAl合金两步挤压开坯，获得的累积挤压比达14的挤压棒材宏观流线均匀，微观组织细小均匀、动态再结晶完全。经有限元模拟优化得出，TiAl合会经内角为5mm、外角为4mm的等通道弯角挤压模具变形后具有较好的等效应变均匀性。利用热压缩组织定量金相统计数据，以Matlab7.0软件构造了TiAl合金热变形组织预报的BP人工神经网络(Back-Propagation Artificial Neural Network)模型，初步预测的动态再结晶体积分数与实测统计结果的平均误差低于2.26％，动态再结晶晶粒尺寸与实测值的平均误差则不高于0.22μm，与经验回归模型相比，已能更准确地预测TiAl合金高温变形过程中的组织变化，为实现TiAl合金热变形组织准确的预报开辟了新的途径。