钛合金加工过程中经常需要热处理，常见的热处理工艺包括去应力退火、完全退火、固溶处理、时效处理。
1、去应力退火
其目的主要是消除冷加工、冷变形和焊接过程中产生的内应力。消除应力退火工艺多应用于热锻轧、铸造、冷变形加工、切割、切削、焊接等工序后。退火温度及时间的选择对去应力退火比较重要，对于可热处理钛合金，采用再结晶温度退火，利用回复去除应力。
2、完全退火
其目的是为获得再结晶组织，提高材料塑性，因此又称为再结晶退火。大部分α钛合金和α+β双相钛合金是在完全退火状态下使用。
对于α钛合金，退火温度通常在相变点以下120～200℃，温度过高会使晶粒粗化，而温度偏低会使再结晶不完全，塑性不足。由于冷却速度对α钛合金组织与性能影响不大，多采用空冷。
对于近α钛合金和α+β双相钛合金，退火过程除发生再结晶外，还有α相和β相的变化，因此确定退火温度及冷却方式时比较复杂。
对于亚稳β钛合金，完全退火通常是对材料固溶处理，退火温度一般在α+β/β相变点以上80～100℃。
3、固溶及时效处理
固溶目的是为得到可时效强化的亚稳相，如α′马氏体、α″马氏体或亚稳β相，利用亚稳相分解产生的细小的平衡相，产生析出强化效应，提高材料硬度和强度。固溶温度通常低于α+β/β相变点40～100℃，可获得初生α相和β相，避免β晶粒过度粗化。固溶后冷却通常有水淬和油淬两种，水淬更为常见。时效强化在β稳定元素含量高的钛合金中作用比较明显，但在近α合金和β稳定元素含量较小的α+β两相钛合金中，时效强化效果较弱。
二、钛合金热处理组织变化
1、加热过程组织变化
钛合金加热过程通常会发生晶型变化，α相、β相之间发生转变，而冷变形钛合金还会发生回复和再结晶。
1）回复与再结晶
冷加工钛合金在一定的温度下先发生回复，通过空位和位错运动，消除形变过程中产生的第二类内应力。回复温度低于再结晶温度，一般发生在450～640℃。随着温度进一步升高，形变组织中出现新的无畸变等轴晶粒，逐渐取代变形晶粒，导致材料硬度和硬度降低，塑性得到恢复。
当发生再结晶时，对于近α合金和α+β合金，常伴有α相溶解以及β相含量的变化；对于β合金，还伴随有重结晶过程。一般而言，由于α钛合金冷变形能力有限，通过变形再结晶的方式对α钛合金的晶粒细化比较困难。而对于β钛合金，其冷变形能力强，因此可通过形变再结晶对其进行一定程度的细化。对于α+β双相钛合金，也可以通过形变再结晶，细化合金组织，改善钛合金的塑性。
2）α相与β相转变
当加热温度超过α→β相变点，此时开始发生α相与β相的晶型转变。对于纯钛，其转变温度约为875±5℃。在α↔β相变过程中，Burgers位向关系没有发生变化，始终保持一定的位向关系。
2、冷却过程组织变化
1）缓慢冷却
当钛合金从单相区缓慢冷却至两相区，常常伴随着β相向α相的晶型转变，二者保持Burgers位向关系：(110)β//(0001)α；[111]β//[11 2 0]α
2）快速冷却
快速冷却过程中，可能形成或发生马氏体相变、淬火ω相、过饱和α相以及残余高温β相；转变产物包括α´、α"、ω、过冷β相、亚稳定β相、过饱和α相，取决于β稳定元素含量。
3、时效转变
快速冷却产生的亚稳相，时效过程转变成平衡相，该过程伴随亚稳相的分解、过饱和α相的分解等。上述转变是钛合金能够热处理强化的主要原因。
4、共析转变
钛合金的共析转变常存在于钛和快共析β合金稳定元素的合金中，通常使材料塑性降低。通过对该组织形貌进行等温处理，得到贝茵体型的非片层组织。
5、应力诱发相变
亚稳β相在应变或应力作用下可转变为马氏体，转变产物包括六方马氏体α´、斜方马氏体α"。这一过程可以产生相变诱发塑性效应，增加钛合金的延伸率以及应变硬化率。
