采用累积叠轧技术制备具有超细晶组织的TC4钛合金,考察了叠轧工艺对界面结合和微观组织的影响规律以及该过程中α/β两相钛合金的变形机制,分析了叠轧工艺对TC4合金力学性能的影响。结果表明,TC4合金累积叠轧过程中需要足够的加热温度（近于720℃）、防氧化处理以及多层数大下压量的轧制工艺,才能获得良好的界面结合,但是界面处存在O含量较高的硬化层。随着叠轧温度和叠轧层数的增加,TC4板材的结合界面逐渐消失并具有较高的结合强度。累积叠轧过程是协同变形和剪切变形综合作用的结果,即变形初期晶界β相由长条状转变为短片状且晶界发生滑移,而在变形程度较高时组织中有大量的剪切带,此过程存在大量局部变形以适应大塑性变形过程。变形组织中存在局部等轴组织（约300 nm）和拉长的变形结构（约400 nm）,其中等轴组织是由于变形温度、局部剪切变形和局部过热作用而发生再结晶形成的。叠轧板材在厚度方向存在组织性能不均匀现象,在结合界面处硬度较高,随着叠轧层数的增加硬度逐渐趋于一致。同时随着叠轧层数的增加,TC4合金的抗拉强度逐渐增加,在叠轧16层后抗拉强度达到1325 MPa,塑性降低为5.4%。在叠轧层数较少时,断裂过程表现为韧性断裂,随着叠轧层数的增加,断口形貌逐渐转变为韧窝断口和准解理断口的综合形貌。