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钛合金由于优异的力学性能而广泛用于航空航天、化工、医药等领域，其力学性能强烈地依赖于不同尺度的微观组织，而微观组织又取决于相应的加工工艺。为了更加深入地理解微观组织演化规律及其物理本质，从而对性能进行控制，对热机械处理工艺的每个阶段的组织演变过程进行研究，显得尤为重要。
首先对热加工工艺的第一阶段合金变形前的均匀化处理这一过程的微观组织演化进行研究。将三维扩散控制的定量相场方法与KKS模型相耦合，并以CALPHAD数据库的动力学与热力学数据为输入，研究了一维条件下Ti-6Al-4V合金中的α相的溶解。相场结果与DICTRA结果符合较好，验证了定量相场模型的正确性。进而应用该模型研究了三维条件下Ti-6Al-4V合金中不同分布的α颗粒分别在不同热处理温度下的溶解过程。结果表明，β单相区处理时的α相体积分数随时间的变化符合exp(-Ktn)衰减规律，而在α+β双相区则符合f=feq+(f0-feq)exp(-Ktn)衰减规律。不同热处理温度下四种初始分布的溶解速度由快到慢依次为：均匀分布、正态分布、对数正态分布和双态分布。不同热处理温度下。得到不同的微观组织演化规律。在双相区热处理时小颗粒融合成大颗粒的现象明显，并最终一起消失。颗粒的空间分布是影响溶解动力学及微观组织形貌的因素之一。颗粒平均半径随时间的变化规律敏感依赖于热处理温度，在β单相区，平均半径的演化强烈依赖于α相的初始尺寸分布，而在双相区的颗粒平均半径随时间的变化差别不大。
进一步将晶界扩散引入上述模型，研究了晶界扩散对α颗粒溶解动力学及微观组织演变的影晦。模拟表明α颗粒的溶解是β晶粒尺寸或β晶界密度的函数。与α颗粒相连的晶界边数越多，溶解的速度越快。接着对不同空间分布(随机分布、β晶界上和β晶粒的三岔点处)的多个α颗粒的溶解进行研究，发现在三岔点处α颗粒的溶解速度较快。溶解过程中观察到β晶粒的粗化和Zener钉扎现象。
单相区固溶之后的组织在两相区进行时效，将形成α片层和残余β基体构成的的混合组织。采用相场方法对三维空间中的片层生长过程进行研究，首先在忽略弹性能情况下定量研究了不同界面能各向异性条件下Ti-6Al-4V合金的片层生长过程。结果表明界面能各向异性是控制片层形貌的重要因素，界面能各向异性不同，α呈现柱状和片状等不同形貌，且片层宽厚比演化规律不同。当宽度和厚度方向的界面能相等时，宽厚比保持为1不变，而二者界面能不同时，宽厚比随时间呈抛物线规律变化。在各向同性生长动力学条件下，界面能各向异性对残余β相也有影响，各向异性比越强，β宽度越大。采用不同的形核机制模拟了不同热处理温度下的α生长，在1023 K-1173 K范围内，温度越高，α生长越慢，且片层的宽度和厚度越大。
热加工中锻造工艺对晶粒结构演化的影响。应用相场方法对变形条件下钛合金的晶粒生长以及β再结晶进行了研究。相场模拟结果表明，与无变形存储能时相比，有存储能时的平均晶粒略大。连续变形条件下的晶粒生长显示，在变形过程中，晶粒被拉长并开始转动。对于连续变形下的β再结晶过程，新的晶粒首先在晶界上形核，随变形量的增加，再结晶形核增多，最终整个体系完全由再结晶晶粒组成，从而实现晶粒细化。
最后对体系中含有第二相颗粒的晶粒长大进行相场模拟，研究第二相颗粒不同初始尺寸分布、体积分数及空间分布对基体晶粒生长的影响。结果表明存在第二相颗粒时，演化过程中平均晶粒尺度随第二相颗粒的体积分数和空间分布均匀度的增加而减小，且基体晶粒尺寸更加均匀。在体积分数和空间分布均匀度一定时，尺寸为均匀分布和正态分布的第二相颗粒对基体晶粒的平均尺寸影响差别不大，但对其尺寸分布影响显著。在有稀土相情况下的α颗粒溶解的模拟表明，在溶解过程中稀土相对α和β晶粒均起到一定的钉扎作用，使最终晶粒尺度大大降低。