Titanyum alaşımları birkaç nedenden dolayı ısıl işleme tabi tutulur; bunların başlıcaları, çözelti işleme ve yaşlandırma yoluyla mukavemeti artırmak ve ayrıca kırılma tokluğu, yorulma mukavemeti ve yüksek sıcaklık sürünme mukavemeti gibi özel özellikleri optimize etmektir.
Alfa ve alfaya yakın alaşımlar ısıl işlemle önemli ölçüde değiştirilemez.Gerilim giderme ve tavlama, bu titanyum alaşımları sınıfı için kullanılabilecek işlemlerdir.Beta alaşımları için ısıl işlem döngüleri, alfa ve alfa-beta alaşımları için olanlardan önemli ölçüde farklıdır.
Beta alaşımları sadece gerilim giderme veya tavlama işlemine tabi tutulmakla kalmaz, aynı zamanda çözelti ile işleme tabi tutulabilir ve yaşlandırılabilir.Alfa-beta alaşımları, oda sıcaklığında hem alfa hem de beta fazlarından oluşan iki fazlı alaşımlardır.Alfa-beta alaşımlarındaki faz bileşimleri, boyutları ve faz dağılımları, ısıl işlemle belirli sınırlar içinde manipüle edilebilir, böylece özelliklerin uyarlanmasına izin verilir.