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镍基单晶合金高温蠕变行为的研究新进展镍基单晶合金是目前航空发动机涡轮叶片的主要制造材料，其蠕变性能是关系到发动机使用安全和服役寿命的重要因素。
本文从成分组成、蠕变机制、本构模型等方面论述了近年来镍基单晶合金研究的新进展，特别着重于阐明镍基单晶合金蠕变行为与微结构演化之间的联系，论述了晶体塑性有限元方法在单晶叶片力学行为模拟中的应用，为我国发动机叶片设计和强度分析提供重要的理论参考和技术指导。
标签：镍基单晶合金蠕变微结构晶体塑性一、引言航空发动机涡轮叶片长期处于高温下，受到复杂应力和燃气冲击腐蚀等综合作用，工作条件十分恶劣。
涡轮叶片等热端部件的可靠性是影响发动机性能和寿命的关键因素和技术难点。
镍基单晶合金因具有较高的高温强度、优异的蠕变、疲劳抗力及良好的抗氧化性和抗热腐蚀性，被广泛用于制造航空发动机的涡轮叶片等核心部件。
镍基单晶合金通过定向凝固技术消除了晶界，使其高温抗蠕变、疲劳性能大大增强，成为最受关注、应用最广的高温合金。
随着发动机服役温度的不断提高，单晶材料的蠕变行为和变形机制也随温度升高表现出不同的特征。
因此，建立合适的本构模型对镍基单晶合金的蠕变行为进行预测，对于我国航空发动机叶片设计、强度分析和寿命预测具有重要的意义。
二、镍基单晶合金的发展趋势及现状镍基单晶合金由于其优异的抗蠕变、疲劳和耐腐蚀性能，在过去的几十年里得到了世界各国的重视，并形成了合金系列应用到航空发动机的热端部件中，如美国的CMSX-2、CMSX-4、CMSX-10系列，英国的RR2000系列，法国的MC2、MC-NG系列，日本的TMS-75、TMS-138、TMS-162系列等。
我国镍基单晶高温合金研制从20世纪80年代初开始，现已发展到以DD22为代表的第四代合金材料，但是，合金性能和发达国家相比尚存在一定的差距，距离大范围实际应用还有较长的路要走。
镍基单晶合金优异的高温性能得益于Re、Ru、W等难熔金属的添加。
Re 的添加有助于改善高温合金的显微组织和热稳定性，降低不稳定相及单晶缺陷等的影响，从而显著增强单晶合金的高温抗蠕变性能。
高温合金发展历程高温合金是一种特殊的金属材料，能够在高温环境下保持较好的力学性能和耐腐蚀性能。
它在航空、航天、能源等领域有着广泛的应用，是现代高端制造业的重要材料之一。
高温合金的发展历程可以追溯到上世纪初，经过多年的研究和发展，如今已经取得了显著的进展。
20世纪初，随着航空工业的兴起，对于能够在高温环境下使用的材料的需求日益迫切。
然而，当时的普通金属材料在高温下容易软化、变形甚至熔化，无法满足这一需求。
于是，科学家们开始研究开发能够在高温环境下稳定工作的材料。
最早的高温合金主要是镍基合金，由于镍的高熔点和较好的耐腐蚀性能，使得镍基合金成为了首选的材料。
1912年，德国科学家Alfred Wilm首次提出了镍基合金的概念，并成功合成了镍基合金。
此后，随着对高温合金的研究深入，镍基合金逐渐得到了应用和改进。
1920年代，美国的Haynes公司开始开发镍基高温合金，成功制备出了第一种商业化的镍基合金。
随着航空工业的快速发展，高温合金的需求越来越大。
20世纪30年代，随着对高温合金性能需求的不断提高，科学家们开始研究其他金属元素的合金体系。
在20世纪40年代，钨和钼被引入高温合金体系。
钨和钼的高熔点和良好的耐热性能，使得钨基和钼基合金成为了高温合金的新选择。
此后，钨基和钼基合金在航空航天等领域得到广泛应用。
20世纪50年代，随着高温合金的应用范围不断扩大，对合金性能的要求也越来越高。
为了提高高温合金的耐热性能，科学家们开始研究添加稀土元素的合金体系。
稀土元素的引入使得高温合金的抗氧化性能和耐热性能得到大幅提升，进一步拓宽了高温合金的应用领域。
到了20世纪60年代，随着高温合金的不断发展和应用，人们对其性能和制备工艺的要求也越来越高。
科学家们开始研究微合金化和粉末冶金等新的制备工艺，以提高高温合金的性能。
这些新的制备工艺使得高温合金的晶粒细化、组织均匀性提高，从而进一步提高了高温合金的力学性能和耐热性能。
2024年镍基高温合金市场发展现状引言镍基高温合金是一种具有良好高温强度和抗腐蚀性能的金属材料，广泛应用于航空航天、能源等高技术领域。
随着科技的进步和工业的发展，镍基高温合金市场正处于快速增长的阶段。
本文将对镍基高温合金市场的发展现状进行综述。
1. 需求驱动市场增长镍基高温合金的广泛应用主要是由需求驱动的。
高温环境下，传统金属材料往往无法满足要求，而镍基高温合金正好具备优异的耐高温性能。
航空航天、石化等行业对高性能材料的需求不断增长，这促使了镍基高温合金市场的快速发展。
2. 行业典型应用镍基高温合金在航空航天领域的应用尤为突出。
例如，发动机燃烧室、涡轮盘、涡轮叶片等部件都需要使用镍基高温合金。
此外，石化、能源等行业也广泛采用镍基高温合金制造高温炉、管道和阀门等设备。
3. 主要市场发展地区目前，北美地区是全球镍基高温合金市场的主要发展地区。
美国拥有世界上最大的航空航天产业和能源行业，对镍基高温合金的需求非常大。
此外，欧洲地区的航空航天产业和亚洲地区的石化行业也是镍基高温合金市场的重要推动力。
4. 市场竞争格局目前，全球镍基高温合金市场竞争激烈。
主要的市场参与者包括全球领先的材料制造商和航空航天公司。
这些公司不断进行技术创新，提高产品质量和性能，以在市场竞争中取得优势地位。
5. 市场面临的挑战虽然镍基高温合金市场前景广阔，但仍面临一些挑战。
首先，镍基高温合金的制造过程复杂且成本较高，限制了其大规模应用。
其次，合金材料的研发和应用需要长期的技术积累和经验累积，这对于一些新进入市场的企业来说是一个难题。
6. 市场发展趋势随着航空航天、石化等行业的快速发展，预计镍基高温合金市场将继续保持增长态势。
未来，市场将出现更多创新产品和应用，如用于核能领域的高温合金、用于3D打印的定制化合金等。
结论镍基高温合金市场正在经历快速发展，受到航空航天、能源等行业的需求推动。
北美地区是市场主要发展地区，全球领先企业通过不断创新提高产品竞争力。
高温合金材料发展现状与趋势高温合金是指具有优异的高温强度、高温蠕变和高温抗氧化性能的材料。
这些材料被广泛应用于航空航天、火箭、汽车、能源、化工和核工业等领域。
随着这些领域对高温材料需求的不断增加，高温合金材料也因此得到了广泛的关注和研发。
本文旨在对高温合金材料的发展现状和未来趋势进行探讨。
一、高温合金材料的分类高温合金材料主要可分为镍基高温合金、铬基高温合金和钛基高温合金。
其中镍基高温合金是应用最为广泛的一类高温合金。
镍基高温合金具有强的抗氧化性、良好的高温蠕变和高温疲劳性能、优异的耐腐蚀性、高的热强度和热稳定性等优点，被广泛应用于各种高温领域。
二、高温合金材料的发展现状高温合金材料的发展历程可以追溯到20世纪50年代。
在此以前，主要采用的是铁基合金，但铁基合金存在工作温度范围狭窄、低温下脆性易剥落等缺点。
20世纪50年代中期，美国医生·布拉斯特博士首次成功研制出镍基合金，开创了高温合金材料的新时代。
70年代至80年代之间，欧美日等国的高温合金技术突飞猛进，并得到广泛推广应用。
目前，高温合金材料已经具备了广泛的应用场景和应用前景，尤其是在航空航天、火箭、船舶、发电等领域。
随着材料科学技术的逐步提高，未来高温合金的研究和应用将更加广泛，发展也将日益壮大。
三、高温合金材料的未来趋势1. 单晶高温合金材料将得到广泛应用单晶高温合金材料是指各向同性粉末冶金高温合金，具有耐蠕变和循环寿命长、耐热劣化和抗氧化性能好的特点。
单晶高温合金材料主要应用于高温部件上，例如发动机涡轮叶片、转子盘、燃烧室内强制部件等方面。
2. 复合材料和纳米材料将成为研究热点复合材料和纳米材料将成为高温合金材料的研究热点。
复合材料具有优良的力学性能和耐热性能，可以制备成薄壁结构材料和非对称结构材料等多种形状的零部件。
纳米材料具有优异的力学性能和微观结构特性，可以强化高温合金材料的高温强度和热稳定性能。
3. 新型高温合金材料将不断发展新型高温合金材料将不断涌现，例如具有先进内部组织结构的超高温合金材料和低密度强韧高温合金材料等。
镍基单晶高温合金镍基单晶高温合金是一种重要的高温结构材料，具有优异的高温强度、抗氧化性和耐蠕变性，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。
我们来了解一下什么是单晶材料。
与普通多晶材料不同，单晶材料是由统一的晶格结构组成，晶体中没有晶界和晶界的错位。
这种特殊的结构使得单晶材料具有更好的力学性能和高温特性。
镍基单晶高温合金是以镍为基础元素，加入适量的铬、钼、铝等合金元素，并通过精细的熔炼和铸造工艺制备而成。
这种合金具有优异的高温力学性能和抗氧化性能，能够在高温、高压和复杂的工作环境下保持稳定的性能。
镍基单晶高温合金的优点主要包括以下几个方面：1. 高温强度：镍基单晶高温合金具有出色的高温强度，能够在高温下承受较大的载荷。
这使得它成为航空发动机中关键部件的理想材料，如涡轮叶片、燃烧室等。
2. 抗氧化性能：镍基单晶高温合金具有良好的抗氧化性能，能够在高温下形成致密的氧化层，起到防止高温氧化和腐蚀的作用。
这使得它在高温气体中的应用具有显著的优势。
3. 耐蠕变性：镍基单晶高温合金具有优异的耐蠕变性能，能够在高温下长时间保持稳定的尺寸和形状。
这种特性使得它在高温结构中的应用非常广泛，如燃气轮机、石化设备等。
4. 热疲劳性能：镍基单晶高温合金具有较好的热疲劳性能，能够在高温循环加载下保持较高的强度和韧性。
这使得它在高温工况下的可靠性得到了保证，延长了材料的使用寿命。
除了以上的优点，镍基单晶高温合金还具有较好的可焊性、可加工性和可修复性，使得其在制造和维修过程中更加方便和经济。
然而，镍基单晶高温合金也存在一些挑战和问题。
首先，制备镍基单晶高温合金的工艺较为复杂，需要严格的熔炼和铸造条件，以保证单晶结构的形成。
其次，镍基单晶高温合金的成本较高，制造和加工难度较大，限制了其在一些领域的广泛应用。
为了克服这些问题，研究人员正在不断努力改进镍基单晶高温合金的制备工艺和性能。
通过优化合金配方、改进熔炼和铸造工艺，以及引入新的合金元素和复合材料技术，可以进一步提高镍基单晶高温合金的性能和降低制造成本。
镍基高温合金的发展综述本文简要介绍了镍基高温合金的概况以及合金各元素成分设计的发展，其中难溶元素的比例逐渐增加，但促进了TCP相的生成，添加一定比例的Ru元素有抑制TCP相生成的作用。
本文还探讨了未来镍基高温合金将向着更强、更轻、更便宜、更耐腐蚀的发展趋势。
标签：镍基高温合金的发展；Ru；Re；TCP相1 引言随着航空航天工业的不断发展，高温合金的开发与研究越来越被人们所关注。
高温合金是指能够在600℃温度以上条件下可以工作，并可以承受加大应力，有一定耐腐蚀性、抗氧化性等良好高温性能的合金[1]。
高温合金主要应用在航空航天发动机中，其中涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等部件几乎由高温合金制成。
按合金基体元素分类，高温合金主要分为铁基高温合金，钴基高温合金以及镍基高温合金[2]。
其中镍基高温合金拥有良好的组织结构及蠕变性能，是作为航空发动机的首选材料。
2 镍基高温合金概述镍基高温合金在航空航天领域应用比较广泛，约有40%的高温合金为镍基高温合金。
镍基高温合金主要成分为Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti 等元素，基体为镍元素，含量在60%以上，主要工作温度段在950℃-1100℃，在此温度段内服役时，其有较高的强度，较强的抗氧化能力以及抗腐蚀能力。
镍基高温合金的发展始于英国的80Ni-20Cr合金，人们在其中添加了少量的Ti和Al，发现了强化相，继而开启了发展镍基高温合金的篇章[3]。
60年代初期，人们发现合金的中温性能较差，叶片在工作中有断裂情况发生，经研究发现，合金中境界出杂质较多，原子扩散速率较快，晶界成为在镍基高温合金服役中易发生裂纹的环节，基于这一问题，人们开始研究定向凝固技术。
定向凝固技术就是使合金在生长过程中只沿应力轴方向生长，具有代表性的合金是美国研制的PWA 1422。
从此镍基高温合金的发展进入到新的时期[4]。
但是随着航空航天也的发展，对合金性能的要求越来越高，纵向晶界仍然是影响其高温性能的主要病因。
镍基单晶高温合金研究进展独立为一个领域的镍基单晶高温合金（Ni-Based Single-Crystal Superalloys）研究起步于20世纪50年代，主要目标是在高温、高压、高速等极端环境下保持优异的力学性能。
如今，这一领域已经取得了显著的进展，推动了航空航天、能源等关键工业的发展。
受制于晶体缺陷（如位错、晶界和第二相）对材料力学性能的影响，研究者最初承认了单晶材料在抗蠕变强度、抗腐蚀和抗氧化性方面的潜力，这让镍基单晶高温合金的研究开始受到关注。
随着应用需求和制造技术的进步，研究者开始探索新的冶金设计原理，克服制约合金性能提升的关键元素/组织的影响。
在材料选择方面，硬化元素（如铝、钛），刚性和解析强化元素（如钨、镍）以及一些其他元素（如镍、镍酮等）已经得到广泛采用。
而在微观组织设计上，利用多元素固溶强化，普遍采用的'γ/γ'二相组织设计以及精细的嵌套共析组织设计已经取得了显著的力学性能提升。
尤其是近年来在第二相强化机制理解的深入，使得研究者在了解和控制合金中不同的位错-第二相相互作用，以及在指导强化相布局优化方面取得了突破性进展。
另一方面，制备工艺也是影响镍基单晶高温合金性能的重要因素。
如今，过渡金属基单晶合金的制备工艺已经实现了工业化。
其中辐射区熔技术和定向凝固技术居于主导地位，使得合金中的第二相尺寸、形状和分布得到了有效控制，同时也保证了合金的组织均匀。
此外，结构设计也在镍基单晶高温合金的性能提升方面起到了重要作用。
近年来，材料科学家已经从多尺度、多视角对合金微观组织进行了深入研究，提出了多个有效的结构优化方案。
如对合金中强化相的尺寸、形状、分布以及取向等进行优化，引入双强化设计，实现第二相强化与固溶强化的协同增强等。
综上所述，随着理论研究、工艺技术和实际应用的深入，镍基单晶高温合金的设计和制备技术发展迅速，性能也得到了显著提升。
不过，目前镍基单晶高温合金的研究仍面临严峻的挑战，如如何进一步提高合金的使用温度，如何改善合金的持久性以及如何实现复合强化设计等。
镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析一、本文概述本文旨在深入研究和探讨镍基单晶合金的力学特性，以及其在冷却涡轮叶片上的具体应用。
镍基单晶合金，以其出色的高温性能、优良的抗氧化性和卓越的机械强度，在航空航天领域，特别是在高性能涡轮发动机的设计制造中占据了重要地位。
涡轮叶片作为发动机中的关键部件，其性能直接影响到发动机的整体效率和安全性。
因此，研究镍基单晶合金的力学特性，以及如何利用这些特性优化涡轮叶片的设计和制造，具有重要的理论和实践意义。
本文首先将对镍基单晶合金的基本力学特性进行详细的分析，包括其强度、韧性、蠕变行为等关键性能指标。
接着，将探讨这些特性在高温、高应力等复杂环境下的变化规律，以及影响这些变化的主要因素。
在此基础上，本文将进一步分析镍基单晶合金在冷却涡轮叶片上的应用，包括叶片的设计、制造、性能测试等方面。
本文将总结镍基单晶合金在涡轮叶片领域的应用现状和发展趋势，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考和启示。
二、镍基单晶合金的力学特性镍基单晶合金，作为一种高性能材料，具有许多独特的力学特性，这些特性使其在航空、航天等高科技领域，特别是在冷却涡轮叶片的制造中发挥了重要作用。
镍基单晶合金具有极高的高温强度。
在高温环境下，许多金属材料的强度会大幅度下降，而镍基单晶合金则能在高温下保持较高的强度，这对于需要承受高温环境的涡轮叶片来说是非常重要的。
镍基单晶合金具有优异的抗蠕变性能。
蠕变是指材料在长时间持续应力作用下发生的缓慢塑性变形。
镍基单晶合金的优异抗蠕变性能使其在高温和长期应力作用下能够保持较好的尺寸稳定性，这对于涡轮叶片等需要长期承受高温和应力的部件来说至关重要。
镍基单晶合金还具有较好的延展性和韧性。
这意味着在受到外力冲击时，镍基单晶合金能够吸收较多的能量，而不易断裂，从而提高了部件的安全性和可靠性。
镍基单晶合金还具有良好的抗氧化性能。
在高温环境下，金属材料容易发生氧化，导致性能下降。
镍基高温合金的发展综述1. 介绍镍基高温合金是一类在高温环境下具有优异性能的关键结构材料。
本文将全面、详细、完整且深入地探讨镍基高温合金的发展历程、特点、应用领域等相关内容。
2. 发展历程2.1 第一代镍基高温合金•由于20世纪40年代至50年代初钴基高温合金的应用限制，镍基高温合金得到迅速发展。
•第一代镍基高温合金主要在航空发动机领域得到应用，如涡轮叶片、燃烧室零部件等。
2.2 第二代镍基高温合金•第二代镍基高温合金在组织结构和配合元素方面进行了改进，提高了合金的性能。
•新的合金设计原则和制备工艺使得合金具有更好的高温强度、耐氧化性和抗蠕变性能。
•第二代镍基高温合金主要应用于航空航天、能源以及化工领域。
2.3 第三代镍基高温合金•第三代镍基高温合金通过引入奇异金属、微合金元素和稀土元素等进行改进，进一步提高合金性能。
•镍基单⽚晶高温合金、镍基镍二基体高温合金等新型合金在高温强度、耐腐蚀性和疲劳寿命等方面取得重要突破。
•第三代镍基高温合金在航空、汽车、石化等行业中得到广泛应用。
3. 特点3.1 高温强度•镍基高温合金具有优异的高温强度，能够在高温下保持较好的力学性能。
•合金中的强化相和固溶体相可以有效提高合金的抗拉强度和屈服强度。
3.2 耐氧化性•镍基高温合金具有出色的耐氧化性能，能够在高温下长时间稳定地抵抗氧化反应。
•氧化层的形成和增长能够减缓合金的氧化速率，提高合金的使用寿命。
3.3 抗蠕变性•镍基高温合金能够在高温下抵抗蠕变现象的发生，保持较好的形变能力和稳定性。
•合金中的蠕变阻滞相能够有效抑制晶间滑移和晶粒边界滑移，提高合金的抗蠕变能力。
3.4 耐腐蚀性•镍基高温合金具有优良的耐腐蚀性能，能够在酸碱等腐蚀介质中长时间稳定地使用。
•合金中的合金化元素和稀土元素能够提高合金的耐腐蚀性，延长合金的使用寿命。
4. 应用领域4.1 航空航天领域•镍基高温合金在航空发动机、航空轴承等关键部位的应用得到广泛推广。
镍基单晶高温合金的发展概况镍基单晶高温合金的发展概况黄爱华1，崔树森1，王少刚1，杨胜群1，刘秀玲2，于兴福1（1.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳110043；2.沈阳铸造研究所，辽宁沈阳110022）摘要：论述了单晶高温合金的制备方法，凝固过程的控制。
概述了单晶高温合金的发展历程以及合金成分的发展。
最后介绍了我国高温合金的发展状况。
关键词：镍基单晶高温合金；制备方法；合金成分高温合金由等轴晶经历了定向柱晶发展到单晶，既是发动机工作温度不断提高的要求，也是凝固技术持续发展的结果。
镍基单晶高温合金通常划分为五代，早期研制的单晶合金称为第一代单晶合金[1]，随着铼(Re)元素的引入，第二代和第三代单晶合金[2]相继出现，近期开始在单晶合金中加入元素钌(Ru)，从而研制出第四代至第五代单晶高温合金。
镍基高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业领域，在航空发动机上主要用于制作热端部件，如涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室和压气机等部件。
在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位，与铁基和钴基合金相比，镍基合金具有更好的高温性能，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，可以说，镍基高温合金的发展决定了航空涡轮发动机的发展，也决定了航空工业的发展。
采用定向凝固技术制备出的单晶合金，其使用温度已接近合金熔点的90%，成为当代先进航空发动机热端部件不可替代的重要结构材料。
1情况介绍铸件形成定向柱晶组织必须具备两个条件，一是热流必须垂直于晶体生长的固液界面单向流动;二是固液界前方的液体中没有稳定的晶核。
Bridgman法就是一种广泛应用的由高温熔体生长单晶的方法。
单晶和定向柱晶凝固过程的唯一差别是单晶必须是由一个晶核长大而成的。
获得单一晶核的方法通常有两种：即选晶法和籽晶法，两种方法各有优缺点、互相补充。
（1）螺旋生长法制备单晶的基本原理（图1，图2）,众多晶粒在经过螺旋形的单晶选择器后，只剩下生长最快的一个晶粒，从而形成单晶。
图1单晶的螺旋生长法生产示意图图2单晶选择示意图第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集（2）籽晶法制备单晶的基本原理（图3）。
籽晶在定向凝固过程中部分熔化，从而消除了在水冷底座上自由形核。
选晶法基于结晶择优生长原理只能制取〔001〕取向单晶，而不能控制铸件的横向取向和制取其它取向的单晶，制造螺旋选晶器的蜡模比较困难，但选晶法无需繁琐的籽晶制备过程。
籽晶法能够任意控制单晶的三维取向，取向精度也较高，但所需籽晶往往要从选晶法制备的〔001〕单晶上切取，并且成功率不如选晶法高。
2单晶合金的凝固过程控制单晶的定向凝固过程不仅是合金组织形成的基础环节，也是杂晶、雀斑、疏松和枝晶发散等铸造缺陷产生的过程，因此无论是改善合金的组织还是消除或减轻缺陷都需要调整凝固工艺来实现。
Copley 等分析了杂晶形成的原因后指出，当凝固潜热能够通过已凝固部分传导出去，而不在固液界面附近积累多余的热量时，杂晶就不会形成。
即当凝固速率满足式（1）时，可有效地防止杂晶的形成。
<T S /△（1）式中：T 为固态热导率，S 为界面附近固相中的温度梯度，△为凝固潜热。
Duhl 分析了雀斑的成因，指出由于定向凝固过程中糊状区底部的液相富集了Al 、Ti 等较轻的正偏析元素，因而密度较低，小于糊状区顶部液相的密度，即形成所谓的密度反转，是一种不稳定状态。
这个密度差驱使低部液相向上喷射，折断了枝晶，尤其是二次枝晶的端部，形成了可作为等轴晶晶核的碎屑，于是产生了雀斑链。
在给定的合金成分下，要避免形成雀斑链，就必须降低糊状区的高度，以防止发生密度反转。
因此存在一个临界温度梯度*，当>*时，不出现雀斑链，而当<*时，如果局部凝固时间足够短，也可阻止因密度差而引起的喷射，所以当凝固速率满足式（2）时，也不出现雀斑链。
>△/△*·（2）式中：△*为不产生雀斑链的临界局部凝固时间，△为结晶温度间隔，为糊状区中的温度梯度。
当凝固工艺所选的和位于图4所示的定向凝固区时，可保证单晶凝固顺利进行，避免杂晶和雀斑链形成。
在实现单晶稳定态凝固从而避免晶粒缺陷后，需进一步选择准确的凝固参数以改善组织结构，温度梯度通常受设备导热能力限制，难以大范围改变，容易调节的凝固参数只有凝固速率R ，根据成分过冷理论，在温度梯度不变时，随的增大，凝固界面形态依次为平面、胞状、枝状等类型。
平界面凝固型壳预热前型壳预热前合金浇注后型壳下降前图3籽晶法制备单晶的基本原理镍基单晶高温合金的发展概况时不产生显微偏析，可以获得较为均匀的组织，但是要求较低的凝固速率，很不经济，实际生产中常见的是枝晶凝固，枝晶间距是最基本的组织参数。
单晶高温合金的性能是各向异性的，并且由于是一种名义上的单晶体，其中包含了第二相、枝晶等大量的亚结构因素，这些亚结构对材料的力学性能产生显著的影响，因而不同晶体取向的区别不仅包括晶体学方面的差异，更具有组织方面的不同。
实际生产中，受零件结构形状、内腔型芯结构形状及工艺、型壳工艺、零件组合方案、凝固设备条件等多方面因素影响，单晶零件的制备过程是复杂而繁琐的，工艺参数需要反复摸索，不断细微调整。
以单晶涡轮叶片为例，其结构形状由下到上分为：榫头、下椽板、叶身、上椽板、叶冠。
叶片内腔多为肋条式薄片状，由硅基或铝基型芯形成，型芯的成型工艺对其性能影响很大，性能不好造成的型芯断漏和变形也是影响单晶制备的制约因素。
型壳的性能也是影响单晶制备的关键因素。
零件的组合方案及熔铸工艺与单晶炉结构条件密切相关，目前真空定向（单晶）炉主要有两种冷却形式：水冷法与液态金属冷却法。
生产中常用的真空定向（单晶）炉主要由加料室、真空熔炼室(包括坩埚、型壳加热器)、隔离阀、铸型室、水冷结晶器及冷却系统组成。
根据组合方案及组重确定选用的坩埚结构大小，加热器的形式，调整水冷结晶器的下降速度及冷却系统的进水温度和压力等等。
合理的工艺方案、参数选用，先进的炉体、设备、自动化控制系统配备等是获得优质高性能单晶合金铸件的必要保障；同时合金熔炼技术提升、纯净化程度提高、合金成分元素及配比的不断改进是发展单晶高温合金铸件的基础。
3单晶高温合金的发展历程单晶高温合金是先进航空发动机的关键材料，多年来各国十分重视镍基单晶合金的研制和开发[3]，采用镍基单晶高温合金制造涡轮叶片已成为当前先进航空发动机的标志之一。
F119、GE90、EJ200、M88-2、P2000等先进航空发动机无一例外地选用了单晶合金作为叶片材料。
与多晶高温合金相比，单晶合金的主要优势在于：①高的初熔温度容许合金进行充分的固溶处理，从而获得高的蠕变强度；②没有易成为裂纹起始位置的晶界；③由于<001>晶体取向的低弹性模量而具有高的热疲劳抗力。
单晶高温合金也将是今后相当长时期内先进航空发动机的关键材料，20世纪70年代以来，国际上对其他高温材料也一直在进行研究，如：定向共晶合金、难熔金属基合金、金属间化合物基合金、陶瓷材料。
但目前都因某些关键问题未获解决还不能顺利付诸实际应用。
迄今还没有一类材料能像镍基单晶高温合金这样具有良好的综合性能。
在今后相当长时期内，单晶合金仍将是航空发动机的关键材料。
图5是镍基高温合金发展的基本趋势。
20世纪60年代，美国普惠公司的VerSnyder 等人发现，普通铸造高温合金中和应力轴垂直的晶界是高温变形时裂纹起始的主要场所。
若使晶界平行于应力主轴方向定向排列，高温变形时作用在晶界上的应力会最小，从而延缓裂纹形核而提高蠕变持久寿命。
在这种思想指导下发明了定向凝固技术，这是高温合金发展中的一个里程碑。
图4保证单晶顺利凝固温度梯度和凝固速率的允许选择范围图5镍基高温合金发展的基本趋势在MAR-M200合金基础上研制成的定向凝固高温合金PWA1422具有良好的中、高温蠕变断裂强度和塑性，而且热疲劳性能比原合金约高5倍，在先进航空发动机上获得了广泛应用。
我国的DZ22合金就是以PWA1422为原型而研制的。
定向凝固技术的出现为发展完全消除晶界的单晶高温合金创造了条件。
1968年，普惠公司的Gell 和Leverant 对比研究了Mar-M200单晶和定向柱晶的组织和性能，结果却发现，与柱晶Mar-M200相比，单晶Mar-M200的蠕变、疲劳以及抗氧化性能没有任何提高，只是改进了横向强度和延性。
而几乎同时，发现在定向凝固合金中加入Hf 可以提高横向性能。
由于单晶的成品率较低，而性能又没有明显提高，因此当时未能获得实际应用。
1975年，Jackson等人在研究Mar-M200+Hf 合金时发现，合金在980℃的持久寿命与细小γ′相的体积分数有关，而增加细小γ′相数量的关键在于提高合金固溶温度。
去除C 、B 、Zr 、Hf 等晶界强化元素后,合金的初熔点提高,可以在更高的温度下进行固溶处理，单晶的优势才显露出来。
1980年，Gell 等人根据这些研究工作，提出了单晶高温合金成分设计的基本原则：去除C 、B 、Zr 、Hf 等降低合金初熔温度的元素，增加难熔元素Ta 的含量，提高固溶温度。
按这样的原则研制出了单晶合金PWA1480，其承温能力比定向合金PWA1422高25~50℃，并立即应用于PW2037、JT9D-7R4等军用和商用航空发动机，投入航线使用。
单晶高温合金从此进入一个蓬勃发展的时期。
单晶高温合金通常划分为若干代，现在已有第五代单晶高温合金的提法。
早期研制的单晶高温合金称为第一代单晶合金。
其承温能力比定向凝固高温合金约高30℃。
随着铼元素（Re ）引入镍基单晶高温合金，承温能力比第一代单晶合金分别约高30℃和60℃的第二代单晶合金和第三代单晶合金相继出现。
近期开始在单晶合金加入另一个元素钌（Ru ），从而开始研制出第四代单晶合金甚至第五代单晶高温合金。
4单晶高温合金成分的发展在单晶的成分设计中，要兼顾合金性能和工艺性能，由于单晶中不存在晶界，并应用在较为苛刻的环境下，所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。
随着单晶合金的发展，合金的化学成分具有如下变化趋势[4]：引入Re 元素，引入Ru 、Ir 等铂族元素，增加难熔元素W 、Mo 、Re 、Ta 的含量；难熔元素的加入总量增加，C 、B 、Hf 等元素从“完全去除”转为“限量使用”；降低Cr 含量从而允许加入更多其他的合金化元素而保持组织稳定。
引入Re 元素，难熔元素的加入总量增加。
以CMSX 系列单晶合金为例，第一代为14.6wt%，第二代为16.4wt%，而第三代高达20.7wt%。
其中Re 元素增加的幅度很大。
难熔元素Re 对单晶合金蠕变强第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集镍基单晶高温合金的发展概况度的贡献很大，3%Re 和6%Re 几乎是第二代和第三代单晶合金的主要特征。
