高温合金的性能与其组织有密切关系，高温合金的组织是可以通过热处理来调整的，如合金的晶粒大小，碳化物形态和分布，金属间化合物（Y'）的大小和分布等都是通过热处理工艺来控制的。对于变形合金来说，热处理尤为重要。高温合金的热处理一般由固溶处理、中间处理和时效处理组成。
一、固溶处理
固溶处理是为了溶解基体内碳化物、Y'相等以得到均匀的过饱和固溶体，便于时效时重新析出颗粒细小、分布均匀的碳化物和Y等强化相，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶。其次，固溶处理是为了获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能。固溶处理的温度范围大约在980～1250℃之间，主要根据各个合金中相的析出和溶解规律及使用要求来选择，以保证主要强化相必要的析出条件和一定的晶粒度。对于长期高温使用的合金，要求有较好的高温持久和蠕变性能，应选择较高的固溶温度以获得较大的晶粒度；对于中温使用并要求较好的室温硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度的合金，可采用较低的固溶温度，保证较小的晶粒度。高温固溶处理时，各种析出相都逐步溶解，同时晶粒长大；低温固溶处理时，不仅有主要强化相的溶解，而且可能有某些相的析出。对于过饱和度低的合金，通常选择较快的冷却速度（如油、水冷）；对于过饱和度高的合金，通常为空气中冷却。
二、中间处理
中间处理即二次固溶处理或中间时效处理，其主要作用是改变晶界上析出的碳化物数量、形态和分布，其次是在合金中造成大小两种Y的合理分布，以显著提高合金的持久寿命和塑性。中间处理的温度大约在1000～1150℃，在保温和冷却过程中，晶界析出链状碳化物，起强化晶界作用。对于过饱和度低的合金，经中间处理后，可以避免晶界细胞状M23C6析出，在晶界产生富铬的块状碳化物，由于晶界区域铬浓度降低，提高了铝、钛的溶解度，使Y'溶于基体内，造成晶界贫Y区的出现。适当宽度的贫Y区有一定塑性，在高温应力作用下能发生松弛，解除应力集中，延缓裂纹产生，提高持久寿命。贫”区过窄，持久塑性差；贫Y＇区过宽，则蠕变速度高，都会导致早期破断。对于过饱和度高的合金，经中间处理后，在晶界析出链状碳化物M3C。，使晶界附近铬、钼等贫化，而铝、钛浓度相对增高，往往形成包覆晶界碳化物的Y包膜，对持久性能是有利的。中间处理时，析出大尺寸γ相，使合金最终时效后得到大小两种尺寸的Y相，以改善合金的综合性能和长期组织稳定性。对于碳化物理化的铁基合金，一般不采用中间处理。
三、时效处理
时效处理能使合金充分而均匀析出强化相。在时效温度下不应引起强化相的溶解和聚化，保证强化相的尺寸合适。时效温度一般在700～950℃，时效温度取决于强化相的数量和合金成分，随铝、钛含量增加而增高。过饱和度高的合金，由于在固溶处理和中间处理的冷却过程中Y相已大量析出，所以最后的时效处理只产生较小的组织变化。许多铸造合金不进行热处理或只进行简单的热处理，例如只进行几个小时的固溶或时效处理就可以使用，甚至不进行热处理就使用。随着合金逐渐复杂化，为了改善某些综合性能，也可采用与变形合金相似的热处理，经固溶处理后，能使铸态组织局部均匀化，但铸造合金的枝晶偏析等不会完全消除。
总之，热处理与合金的组织和性能有密切关系，通过适宜的热处理可充分发挥材料的潜力。
