影響鈦合金性能的另一個重要因素是合金的顯微組織。了解顯微組織的形成規律及其對性能的影響，對于制定熱加工工藝、控制合金的性能和研制新合金都是十分重要的。一般說來，細小的組織可以提高合金的強度和塑性，還可延緩裂紋的形核，而粗大的組織抵抗蠕變和疲勞裂紋擴展的能力更強；等軸狀組織往往具有高的塑性和疲勞強度，而片狀組織具有高的斷裂韌性、優異的抗蠕變性能和疲勞裂紋擴展性能。因此，必須要通過熱加工工藝過程和熱處理制度的調整獲得不同的顯微組織，以滿足不同性能的需要。耐熱鈦合金常見的顯微組織一般可以歸納為四種。

1魏氏組織

魏氏組織又稱為片層組織，當變形開始和終了溫度都在β相區，變形量又不很大(一般小于50%)時，或加熱到β相區后較慢冷卻，都將得到魏氏組織。魏氏組織的特點是具有比較粗大的等軸原始β晶粒，β晶粒清晰完整，在原β晶粒晶界上有較完整的晶界α相，晶內由不同方向的α片束組成，同一束內的各個α片是平行的，有相同的晶體學取向，α片間夾有β相中間層。由于原始β晶粒粗大且晶界有連續的晶界α相存在，魏氏組織的室溫拉伸塑性和疲勞性能較低，而斷裂韌性和蠕變性能較好。

2網籃組織

鈦合金在(α＋β)/β相變點附近變形，或在β相區開始變形，在α＋β兩相區終止變形，使原始β晶粒及晶界α相被破碎，則冷卻后α束團的尺寸和α片的長寬比減小，且各束交錯排列，如編織網籃的形狀，稱為網籃組織。其實，在這種組織中并無α片的編織，也無網籃的編織，因為不同的片相遇時會停止長大。

網籃組織的拉伸塑性比魏氏組織好得多，室溫、高溫抗拉強度，斷裂韌性，蠕變性能等綜合性能良好。但是疲勞性能一般，通常用于制造對疲勞性能要求不高的零件，如壓氣機葉盤等。

3雙態組織

雙態組織是α＋β型鈦合金最常用的組織。當合金在上α＋β相區變形和熱處理時形成這種顯微組織。雙態組織的特點是在β轉變組織的基體上，分布著一定數量的等軸初生α相，而β轉變組織實際上類似于網籃組織。這種組織的性能決定于等軸初生α相和β轉變組織所占的比例，一般而言，該類型組織有較好的室溫拉伸塑性和疲勞性能，有一定的高溫強度和蠕變性能。塑性和疲勞極限隨初生α相體積分數增加而提高，并且初生α相晶粒尺寸越小，疲勞強度越高，而持久的蠕變強度則隨初生α相體積分數的增加而降低。當等軸初生α相體積分數為20%～30%時，塑性、斷裂韌性、熱強性和疲勞性能達到最佳配合。

4等軸α組織

當合金全部在α＋β或α相區(α型合金)以足夠的變形量(60%～70%)進行塑性變形，或隨后在下α＋β兩相區熱處理時，即獲得等軸組織。這種組織是變形時的動態再結晶或變形后熱處理時的再結晶造成的。

等軸組織具有最好的室溫塑性和疲勞性能，對于要求高疲勞性能的零件，如承受振動負荷的葉片等，希望具有這種組織。