钛合金的化学成分是决定其微观组织与力学性能的主要因素之一，常用的金属元素包括Al、Sn、Zr、V、Fe、Cr、Mo、Nb、Si，也含有一定量的O、N、C 和H 等不可避免的杂质元素。根据不同合金元素对钛的β相转变点的作用，分为α稳定元素、中性元素以及β稳定元素。目前，成熟的高温钛合金均以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 作为主要成分，不同元素作用如下：

（1）α 稳定元素

Al 元素作为高温钛合金中最为重要的合金化元素，是最常见能提高钛合金相变温度的合金元素，在α 和β 相中都具有较大的固溶度，起到固溶强化、提高抗拉强度、降低密度以及减少氢化物析出等作用。根据Ti-Al相图，当Al 元素含量超过6wt.%时，会产生与α 相共格的有序相α2（Ti3Al），而α2是硬而脆的中间相，会导致合金的韧塑性下降。有学者研究了在Ti-25Zr二元合金中逐步添加Al元素后的微观组织和力学性能，当Al元素含量从0增加到15 wt.%时，合金为单相的α-Ti相，层状的α相厚度逐渐增加，合金的抗拉强度大幅提高到41%，屈服强度提高了47%，其强化原因归因于Al元素提高了合金的堆叠故障能量以及和溶剂原子之间的尺寸/模量不匹配。有研究者在近α钛合金中添加了12.5 wt.%的Al 元素，在Ti 的固溶体中形成了Ti3Al、γ-TiAl 以及TiAl2 金属间化合物，发现Ti3Al相具有较好的耐高温性能和较轻的重量，而γ-TiAl 相具有较低的密度、较高的比屈服强度和比刚度、良好的抗氧化性和蠕变性能。

（2）中性元素

Zr 元素与Ti 元素都属于元素周期表中的ⅣB族，具有相似的晶体结构和原子大小，在室温α-Ti（HCP）相区和高温β-Ti（BCC）相区都实现完全固溶，但在室温时对钛合金的固溶强化较弱，在高温时的固溶强化能力较强，在微观结构上具有细化晶粒的作用。

有学者通过在Ti-1100 合金中添加不同含量的Zr 元素，随着Zr 元素含量的增加，α相的晶格参数a 和c 都增加，在添加6 wt.% Zr 时，合金的β 晶粒尺寸从480±13减小到350±6μm，进一步说Zr 元素具有细化晶粒的作用。在高温钛合金中，Zr元素通常与Si 元素相结合使用，过高的Zr 含量会导致硅化物聚集，从而会降低合金的延展性，其用量通常限制在5 wt.%以内。研究者进一步研究Zr对Ti合金稳定元素的强化/弱化作用及其对相变的影响，发现Zr 元素的加入不但可以降低具有α 稳定元素的Ti 合金的α↔β 相变温度，并削弱α 稳定元素的稳定作用。而且，Zr的添加可以降低具有β稳定元素的Ti合金的β↔α+β相变温度，并增强β稳定元素的稳定作用，无论是同晶还是共析型β稳定元素。

Sn 元素作为中性元素与Zr 元素相类似，起到补充固溶强化的作用，通常与Al 元素共同使用，通过固溶强化提供更高的强度而不引起脆化，过量的Sn 元素添加会生成脆性的Ti3Sn 相。有学者制备了Ti-XSn（X=0、5、10、15）合金，发现Sn元素对合金的微观组织与力学性能都有显著的影响，随着Sn 元素的增加，片层α 的厚度逐渐减小，逐渐变为α/α'片层结构，合金的屈服强度和硬度也逐渐增加。

（3）β 稳定元素

Nb 元素作为较弱的同晶型β 稳定元素，在α-Ti相中具有较大的固溶度，具有较好的固溶强化作用，在高温钛合金中添加Nb 元素已成为新的发展方向。有学者在Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si合金中添加Nb元素，表明Nb元素可以有效的抑制氧在合金表面的吸附和扩散，促进Al 元素形成Al2O3 氧化膜，进一步提高合金的抗氧化性。有研究者制备了Ti-1100-xNb（x=0、0.5、1.0 wt.%）合金，发现少量的Nb 元素添加不会改变相结构，随着Nb 元素含量的增加，α 相的晶格参数‘a’增加，晶格参数‘c’先增加后减小，合金的显微组织得到了细化，其断裂韧性也随着Nb 含量的增加而增加。

Mo 元素是较强的β 稳定元素，在α-Ti 相中的固溶度较小，在β-Ti 相中无限固溶，能显著降低合金的β 转变温度，提高合金的高温瞬时强度，其中，美国的高温钛合金Ti6246就是在Ti6242基础之上进一步增加Mo含量，从而提高了合金的高温性能。有学者研究了不同Mo 含量对Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-xMo-2Nb-1W-0.2Si（wt.%）近α高温钛合金的微观组织及高温拉伸性能，发现Mo主要溶于β相，而Mo在α相中的浓度远小于Nb元素，随着Mo元素添加量的增加，β转变组织、初生α相和次生层状α相的厚度均明显减小，在650℃拉伸时，Mo 的加入提高了合金的极限抗拉强度和延伸率，但降低了屈服强度。

Si 元素作为快共析β 稳定元素，在高温钛合金中的应用十分广泛，当Si 元素固溶进α-Ti 相基体时，由于原子尺寸的差异，导致溶质原子与位错之间的交互作用而形成Cottrell气团；当Si元素含量超出极限固溶度时，将从基体中以S1型（Ti5Si3）或S2 型（Ti6Si3）硅化物沉淀析出，通过钉扎位错运动，从而改善合金的高温性能，其含量通常控制在0.5 wt.%以下。美国基于对Ti6242合金的进一步研究，通过引入Si元素，成功开发出了新型的Ti6242s高温钛合金，该合金能够在500℃以上的高温环境下使用。有学者研究了不同Si元素含量对Ti6244近α高温钛合金耐高温性能的影响，发现Si 元素可以过降低氧化速率和氧化层度以及产生更致密的氧化层提高合金的高温抗氧化性。