Аналітично й експериментально досліджено процес високотемпературного азотування (Т = 950°C) титану. Відображено роль азоту як $\alpha$-стабілізатора у формуванні нітридного шару та тришарової дифузійної зони (шар $\alpha$-фази, шар $\alpha + \beta$-фази і шар $\beta$-фази). Одержано наближений розв’язок сформульованої задачі щодо дифузії азоту в такому неоднорідному середовищі з урахуванням переміщень міжфазних меж. Розраховано константи параболічного росту шарів, що уможливило передбачити кінетику їх росту і розподіл азоту в дифузійній зоні. Експериментально зафіксовано еволюцію мікроструктури газонасиченого шару (після витримок у 1 і 5 годин), зумовлену структурно-фазовими перетвореннями під час дифузії азоту.