高溫合金應具有高的蠕變強度和持久強度（見蠕變）、良好的抗熱疲勞和機械疲勞性能（見疲勞）、良好的抗氧化和抗燃氣腐蝕性能以及組織穩定，其中以蠕變強度和持久強度最為重要。
提高高溫合金強度的途徑有：
1.固溶強化 加入與基體金屬原子尺寸不同的元素(鉻、鎢、鉬等)引起基體金屬點陣的畸變,加入能降低合金基體堆垛層錯能的元素（如鈷）和加入能減緩基體元素擴散速率的元素（鎢、鉬等），以強化基體。
2.沉淀強化 通過時效處理，從過飽和固溶體中析出第二相（γ┡、γ"、碳化物等），以強化合金（見合金相）。γ┡相與基體相同,均為面心立方結構，點陣常數與基體相近，并與晶體共格,因此γ┡相在基體中能呈細小顆粒狀均勻析出,阻礙位錯運動,而產生顯著的強化作用。γ┡相是A3B型金屬間化合物，A代表鎳、鈷，B代表鋁、鈦、鈮、鉭、釩、鎢，而鉻、鉬、鐵既可為A又可為B。鎳基合金中典型的γ┡相為Ni3(Al,Ti)。γ┡相的強化效應可通過以下途徑得到加強：①增加γ┡相的數量；②使γ┡相與基體有適宜的錯配度，以獲得共格畸變的強化效應；③加入鈮、鉭等元素增大γ┡相的反相疇界能，以提高其抵抗位錯切割的能力；④加入鈷、鎢、鉬等元素提高γ┡相的強度。γ"相為體心四方結構，其組成為Ni3Nb。因γ"相與基體的錯配度較大,能引起較大程度的共格畸變，使合金獲得很高的屈服強度。但超過700℃,強化效應便明顯降低。鈷基高溫合金一般不含γ┡相，而用碳化物強化。
3.晶界強化 在高溫下，合金的晶界是薄弱環節（見界面），加入微量的硼、鋯和稀土元素可改善晶界強度。這是因為稀土元素能凈化晶界，硼、鋯原子能填充晶界空位，降低蠕變過程中晶界擴散速率，抑制晶界碳化物的集聚和促進晶界第二相球化。另外，鑄造合金中加適量的鉿，也能改善晶界的強度和塑性。還可通過熱處理在晶界形成鏈狀分布的碳化物或造成彎曲晶界，提高塑性和強度。
4.氧化物彌散強化 通過粉末冶金方法，在合金中加入高溫下仍保持穩定的細小氧化物,呈彌散分布狀態,從而獲得顯著的強化效應。通常加入的氧化物有ThO2和Y2O3等。這些氧化物是通過阻礙位錯運動和穩定位錯亞結構等因素而使合金得到強化的。