TC4钛合金因其优异的强度、塑性、抗疲劳、腐蚀性能和良好的加工性能,被广泛应用于航空航天、化工设备、汽车行业等领域,是目前被使用最多的钛合金。如何进一步提高TC4钛合金的强度,扩大其应用范围是当前的研究热点。目前,通过强烈塑性变形方法制备强度更高的超细晶材料是提高材料强度的重要手段。本研究通过大变形热轧的方式制备了具有超细晶结构的高强韧TC4钛合金;研究了轧制变形量对超细晶TC4钛合金组织和性能的影响,并对不同退火工艺下超细晶TC4钛合金的组织和力学性能的变化行为进行了系统的研究,探讨了工艺、组织和力学性能之间的关系。研究表明,大变形热轧后TC4的强度随着变形量的增加而增加,经90%大变形热轧后成功制备了平均晶粒尺寸为150nm的超细晶TC4,其抗拉强度达1135MPa,相比于原始样(抗拉强度874MPa)有30%的提升,且依旧保持了良好的塑性。由于(0002)织构的存在使得材料的RD-TD面表现出最高的硬度,该超细晶TC4的力学性能存在着各向异性。大变形热轧制备超细晶TC4在200°C-500°C之间退火1h,发生时效,产生弥散强化现象;在高于600°C下退火1h,试样开始出现再结晶,随着退火温度的升高,晶粒明显长大,组织由等轴α相、再结晶β相构成。随着退火温度的增加,超细晶TC4的强度先增加后减小,在600°C退火1h后材料表现出优异的综合力性能,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别可达1065MP、1080MPa和10%。研究了大变形热轧制备的超细晶TC4钛合金的热稳定性,发现在700°C退火处理120min后,大变形轧制的TC4钛合金基体相的平均晶粒尺寸依然低于1μm,材料的硬度和抗拉强度依然保持在331.7Hv和963MPa。大变形轧制的超细晶TC4钛合金在800°C退火处理时,组织中α和β相都有明显长大,材料的强度随退火时间逐渐降低。超细晶TC4在700°C、800°C退火后均保持良好的塑性。