本发明涉及钛合金材料领域,具体为一种高热稳定性等轴纳米晶Ti6Al4V-Cr合金及其制备方法。该钛合金的化学成分(质量分数,%)如下:Al 5.0～7.0,V 3.0～5.0,Cr 0.01～6.5,余量为Ti。该钛合金的制备方法如下:首先,Ti6Al4V-Cr合金在950℃以上保温一段时间后,快速冷却至室温以获得纳米板条前驱体;随后在温度为650～850℃,应变速率为0.1～5 s-1的范围内对纳米板条前驱体钛合金进行热变形,总应变量大于等于70%,使纳米板条前驱体转变为等轴纳米晶结构。本发明所制备的高热稳定性纳米晶Ti6Al4V-Cr合金具有优异的综合力学性能,可广泛应用于航空航天、生物医疗、石油化工、汽车工业和海洋工程等诸多领域。