Das Diffusionsglühen (oder Homogenisierungsglühen oder Ausgleichsglühen) ist eine Art der Wärmebehandlung (Glühen) von metallischen Werkstoffen. Es dient der Verminderung von Konzentrationsunterschieden in Werkstücken. Durch Diffusionsglühen lassen sich vor allem Gefügeinhomogenitäten in den einzelnen Kristallen (Mikroseigerungen) vermindern. Inhomogenitäten in einem Werkstück (Blockseigerungen/ über Kristallgrenzen hinweg) lassen sich wegen der langen Diffusionswege nicht vollständig beseitigen.
Beim auch als Ausgleichsglühen bezeichneten Prozess wird das Metall bis knapp unter der Soliduslinie erhitzt, da manche Elemente wie Chrom erst bei diesen Temperaturen diffundieren, wobei die durch zu schnelles Abkühlen behinderte Diffusion der Atome wieder in Gang gesetzt wird. So werden inhomogene Mischkristalle in homogene überführt. Die mechanischen Eigenschaften der Legierung werden dadurch wie bei allen Glühverfahren nicht wesentlich beeinflusst. Durch die hohe Temperatur und die langen Glühzeiten ist jedoch zu beachten, dass Grobkorn entstehen kann, das durch anschließendes Normalglühen wieder beseitigt werden muss.
Da Diffusionsprozesse in Feststoffen stark temperaturabhängig sind, werden Diffusionsglühungen bei sehr hohen Temperaturen (bei Stahl zumeist zwischen 1100 und 1300 °C) und häufig über lange Glühzeiten (bis zu 50 Stunden) ausgeführt.
Das Diffusionsglühen ist nicht sehr wirtschaftlich und wird daher nur noch angewendet, wenn sich Seigerungen nicht vermeiden lassen, etwa beim Blockguss von übereutektoidischen Wälzlagerstählen.