高溫合金的性能與其組織有密切關系，高溫合金的組織是可以通過熱處理來調整的，如合金的晶粒大小，碳化物形態和分布，金屬間化合物（r'）的大小和分布等都是通過熱處理工藝來控制的。對于變形合金來說，熱處理尤為重要。高溫合金的熱處理一般由固溶處理，中間處理和時效處理組成。
⑴固溶處理
固溶處理是為了溶解基體內碳化物。r'相等以得到均勻的過飽和和固溶體，便于時效重新析出顆粒細小，分布均勻的碳化物和r'等強化相，同時消除由于冷熱加工產生的應力，使合金發生再結晶。其次，固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度，以保證合金高溫抗蠕變性能。固溶處理的溫度范圍大約在980~1250℃之間，主要根據各個合金中相的析出和溶解規律及使用要求來選擇，以保證主要強化相必要的析出條件和一定的晶粒度。對于長期高溫使用的合金，要求有較好的高溫持久和蠕變性能，應選擇較高的固溶溫度以獲得較大的晶粒度：對于中溫使用并要求較好的室溫硬度，屈服強度。拉伸強度。沖擊韌性和疲勞強度的合金，可采用較底的固溶溫度，保證較小的晶粒度。高溫固溶。而且可能有某些相的析出。對于過飽和的度低的合金：低溫固溶處理時，不僅有主要強化相的溶解，而且可能喲偶某些相的析出。對于過飽和度低的合金，通常選擇較快的冷卻速度（如油，水冷）：對于過飽和度高的合金，通常為空氣中冷卻。
⑵ 中間處理
中間處理即二次固溶處理或中間時效處理，其主要作用是改變晶界上析出的碳化物數量，形態和分布，其次是在合金中造成大小兩種r'的合理分布，以顯著提高合金的持久壽命和塑性。中間處理的溫度大約在1000~1500℃，在保溫和冷卻過程中，晶界析出鏈狀碳化物，起強化晶界作用。對于過飽和低的合金，經中間處理后，可以避免晶界細胞狀M23C6析出，在晶界產生富Cr的塊狀碳化物，由于晶界區域Cr溶度降低，提高了Al，Ti的溶解度，使 溶于基體內，造成晶界貧r'區的出現。適當寬度的貧r' 區有一定塑性，在高溫應力作用下能發生松弛，解除應力集中，延緩裂紋產生，提高持久壽命。貧 r'區過窄持久塑性差：貧r' 區過寬，則蠕變速度高，都會導致早期破斷。對于過飽和度高的合金，經中間處理后，在晶界析出鏈壯碳化物M23C6，使晶界附近Cr,Mo等貧化，而Al,Ti溶度相對增高，往往形成包覆晶界碳化物的r'包膜，對持久性能是有利的。中間處理時，析出大尺寸r'相，使合金最終時效后得到大小兩種尺寸的 r'相，以改善合金的綜合性能和長期組織穩定性。對于碳化物強化的鐵基合金，一般不采用中間處理。
⑶ 時效處理
時效處理能使合金充分而均勻析出強化相。在時效溫度下不應引起強化相的溶解和聚化，保證強化相的尺寸合適。時效溫度一般在700~950℃，時效溫度取決于強化相的數量和合金中 r' 相已大量析出，所以最后的時效處理只產生較小的組織變化。