热处理是改善钛合金的组织和性能的重要手段。钛合金的热处理强化的基本原理，既与铝合金相似，属于淬火时效强化类型；又与钢的热处理相似，也有马氏体相变。因此，钛合金的热处理相变有许多特点。
1.钛合金淬火后得到的介稳定相
钛合金淬火后能不能得到介稳定相，是判断钛合金能否热处理强化的先决条件。一般只含单一的α稳定元素或中性元素的钛合金，尽管加热到β相区淬火，但得不到介稳定相。因此，这类钛合金不能热处理强化，通常只进行退火处理。
但是，钛与β稳定元素如钼、钨、钒、铌、钽和铬、铁、锰等组成的合金，加热到β相区淬火后，可以得到不同的介稳定相，如α′、α〞、ω和过冷的β′相。在这类钛合金中，由于这些介稳定相的形成导致合金的力学性能发生变化。因此，这类钛合金可以进行热处理强化。
钛合金淬火时的相变比钢和铝合金都复杂。它在淬火时，因合金成分与淬火温度的不同，可形成不同的介稳定相。
α′相是钛合金自β相区淬火时，发生无扩散型相变形成的一种合金元素在六方点阵的α钛中的过饱和固溶体的针状组织，其硬度略比平衡的α相高些。这种转变与钢中的马氏体转变相似，故β→α′的转变称为钛合金的马氏体相变。
钛合金的马氏体转变类似于钢中奥氏体转变为马氏体，亦有一定的马氏体开始转变温度Ms点。随着合金元素含量的增加，Ms点降低，其中铁、锰、铬、和钼是强烈降低马氏体点的元素。当合金元素含量达到某一含量时，Ms点降低至室温下，马氏体转变完全被抑制，淬火后得到的组织是过冷的β固溶体，它是一个介稳定相，用β′表示。
但是，钛合金中的淬火马氏体与钢中的淬火马氏体有很大差别。因为钢中的马氏体是间隙型的过饱和固溶体，有显著的强化效果；而钛合金中的马氏体，目前所发现的都是置换型过饱和固溶体，其硬度较低，而塑性很好，对钛合金的强化作用不大，因此实用价值不大。
α〞相是钛合金淬火时，由立方点阵的β固溶体以无扩散型相变改组为六方点阵的过程中，原子的位移较形成α′相时小而形成的，在显微镜下其形态与α′相似，亦呈针状，也是一种马氏体相。但是α〞相具有斜方点阵，硬度比α′相更低。α〞相目前只在含有原子半径与钛相近的过渡族元素（W、Mo、V、Nb、Ta等）的钛合金中发现。
ω相是钛合金中在介稳定的β′相转变为α相的过程中形成的一种中间过渡相。在含过渡族元素的许多钛合金中，在淬火、回火以及在压缩应力作用下，都能形成这种相。在淬火时，β→ω的相变与马氏体相变一样，亦是无扩散型相变，但淬火后在较低温度回火时，过冷的β′相转变为ω相则是属于扩散型相变，只是由于转变温度较低，原子扩散困难，β′相不能直接转变为稳定的α相，而是先形成过渡相ω，然后再转变为α相。
ω相具有畸变的体心立方点阵或伪立方的结构，并与残留的β′相保持共格关系，具有很高的硬度和脆性。因此，ω相被称为特殊形式的马氏体相。ω相很细小，在一般光学显微下无法辨认，只有电镜下才能观察到。当合金中出现ω相时，硬度和脆性急剧增加，实际上，ω相不能加以利用，因此，在生产中应从合金成分和热处理工艺上设法避免和消除ω相的出现。
β′相是含有一定量β稳定元素的钛合金从β或α+β相区淬火时，被保留下来的过饱和固溶体，称为介稳定β相或者称为过冷β相。β′相是一个极不稳定的相，在一定条件下会发生分解，在分解过程的不同阶段将析出α′、α〞、ω相和稳定的α相，引起合金性能的变化。β′相具有很好的塑性，但强度、硬度低。
2.钛合金过冷β相的等温转变
同钢中的过冷奥氏体等温分解相似，钛合金的过冷β相的分解过程亦可以用等温转变图即C曲线来表示，如图6-21为Ti-5Cr-3Al钛合金的C曲线。像钢的过冷奥氏体一样，任何钛合金的过冷β相的等温转变曲线都有转变速度最快的温度即C曲线的鼻部。钛合金的C曲线的形状和位置取决于β稳定元素的种类和含量。合金元素对钛合金C曲线位置的影响是，随着加入的β稳定元素的数量和稳定β相的能力增大，C曲线向右下方移动。
同钢相似，钛合金的C曲线亦可以近似地用于判断连续冷却的组织转变过程和最终得到的组织。
3.钛合金的时效
钛合金时效强化机理与铝合金时效不同之处，在于钛合金时效主要是依靠β&180;相在时效过程中分解析出弥散的α固溶体使合金强化，其时效过程中的相变是β&180;→α+β，此外α&180;→α+β也能产生一定的强化效果。而铝合金则主要是依靠时效过程中出现与母相共格的中间过渡相（如θ等）使合金强化。
钛合金的时效温度可参照C曲线选择，时效过程β&180;相的分解产物，亦可按C曲线判断。时效工艺应避免产生ω相和共析分解产物，否则将使合金的塑性急剧降低。