随着航空装备的发展,整体、精密、高性能和轻量化的复杂构件应用越来越广泛,已经成为新一代航空装备的核心。钛及钛合金由于具有密度低、比强度高(优于铝合金和钢)、耐热、抗冲击、耐腐蚀等优异性能,而且与飞机上大量使用的复合材料有很好的电化学相容性,所以在航空航天中的使用量越来越多。钛合金在武器装备上的应用量甚至已成为衡量一些武器系统先进性的一个重要指标。但是由于很难制造出满足某些特殊性能要求的构件,或者制造出来的构件的尺寸不够稳定,钛合金在我国航空航天中的应用与先进航空航天大国相比仍有相当大的差距,所以对钛合金及其制备技术开展系统性的研究具有深远意义。本文以在航空航天中应用最为广泛的钛合金TC4为研究对象,首先研究了热处理对TC4钛合金力学性能和残余应力的影响,然后借助光学显微镜、扫描电镜和透射电镜等分析了热处理参数变化时显微组织的变化,探究了不同热处理制度下试样力学性能变化的根本原因。最后,采用了深冷处理和预拉伸方法消除热处理后的残余应力,研究了深冷时间、深冷急热、冷热循环和预拉伸对残余应力的消除效果,并分析了在残余应力消除过程中力学性能和硬度的变化。研究结果表明,冷却速率对组织的转变机制具有决定性作用。随着冷却速度的提高,组织转变方式由原子扩散为主向马氏体转变占主导地位变化;高温β相在较低的冷却速率下转变成等轴α相,而在较高的冷却速度下则转变为马氏体相ɑ’。这会提高试样的强度,但是会使塑性和冲击韧性降低。在双态组织中,等轴α相体积分数的减少、次生α相长宽比的降低以及次生α相体积分数的增加会促使强度增高。等轴α相对塑性具有积极作用,而次生α相对塑性则具有消极作用。等轴α相晶粒尺寸和次生α相尺寸都会影响冲击韧性,两者的影响权重由各自的体积分数决定。微观组织不同会导致应力松弛能力不同;即使热处理后微观组织相同,但是当微观组织中的不同相的比例不同以及不同相的晶粒尺寸不同也会对残余应力产生明显的影响。时效温度和时效时间的变化都会对微观组织产生不同程度的变化,但是这些变化都不足对残余应力产生显著影响。在对残余应力消除方法的研究中,我们发现深冷最多可以将残余应力消减52.87%,深冷急热最多可以将残余应力消减58.00%,冷热循环最多可以将残余应力消减67.82%,而预拉伸则可以将残余应力消减72.88%。经过三次深冷急热和三次冷热循环以后,残余应力已经降到一个比较稳定的水平,再进行循环已无必要。