單晶葉片鑄件的理想組織是葉根、葉身和葉冠，都由毫無缺陷的多相單晶體組成。晶體取向應是〈100〉方向，並與葉片主應力軸方向之間的偏離不應大於10度。單晶鑄件可以用與定向凝固相同的設備和工藝製備，與定向凝固鑄件的區別只在於在水冷底盤的上部加入選晶器或仔晶，以便控制單一晶體進入鑄件。單晶鑄造高溫合金(single crystal superalloy)是指整個鑄件由一個晶粒組成的鑄造高溫合金。這是繼定向凝固鑄造高溫合金之後，進一步提高合金強度和使用溫度的一條途徑。單晶鑄造高溫合金作為新型航空發動機葉片材料得到廣泛套用。
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簡史
初期的單晶鑄造高溫合金採用普通鑄造高溫合金成分，在此情況下，單晶鑄造高溫合金與定向凝固鑄造高溫合金相比，除了改善橫向強度和塑性外，其他性能並無明顯改善。20世紀70年代末，出現了去掉晶界強化(見高溫合金晶界強化)元素的單晶鑄造高溫合金，如美國的PwAl480、NASAIRl00。碳、硼、鋯、鉿等晶界強化元素去除後，提高了合金的初熔溫度，從而允許提高固溶處理溫度，獲得更細小、彌散的Y’相(見高溫合金材料的金屬間化合物相)，使合金的潛力得到更充分發揮。
經過20多年的發展，出現了20多種單晶鑄造高溫合金。這些合金可以分為三代：第一代以PwAl480為代表，其承溫能力比最好的定向凝固鑄造高溫合金PwAl422有25℃的優勢；第二代以PwAl484為代表，比第一代又提高了25℃；正在研製的是第三代單晶合金。
特點
(1)儘量降低晶界強化元素的含量，合金不含碳化物、硼化物，只是單純γ-γ’兩相系，使得初熔溫度儘量提高；(2)藉助高溫均勻化處理，使初生γ’、γ-γ’共晶消失，在適當時效處理後調整組合γ’相的粒度；
(3)在γ-γ’兩相系合金中，在較寬的成分範圍內調整，以獲得儘可能多的γ’相，使其體積百分數達到65%～75%，同時獲得γ和γ’相的固溶強化；
(4)保持合金足夠的抗熱腐蝕性和良好的工藝性。
另外，單晶鑄造高溫合金是各向異性的，<100>方向是合金結晶生長的擇優方向，其蠕變強度較高和彈性模量低。蠕變強度最高的取向是<111>方向。疲勞性能最高的取向是<001>方向。
工藝
籽晶法
首先將和所要鑄造的單晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模殼的最底部,然後將過熱的熔融金屬液澆注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰當地控制固液界面前沿液體中的溫度梯度和晶體的生長速度,金屬熔液就會從未被熔化的籽晶部分開始往金屬液中生長,並最終形成晶體取向與籽晶相同的單晶。
選晶法
選晶法是單晶高溫合金葉片製備中最基本的工藝方法. Higginbotham把常用的單晶選晶器結構歸納為四種類型:螺旋型、傾斜型、轉折型、尺度限制型(縮頸型)隨著單晶高溫合金研究的發展,螺旋型選晶器逐漸淘汰掉其他三種選晶器,成為目前套用最廣泛也是最成功的選晶器類型。
選晶法的原理就是利用選晶器的這種狹窄界面,只允許一個晶粒長出它的頂部,然後這個晶粒長滿整個型腔,從而得到單晶體. 其晶體競爭生長機制是:螺旋結構總的攀升走向正好與散熱方向相反,致使螺旋體內散熱均勻,因此在整個螺旋形生長過程中,位向最適合生長的那個晶粒將其他眾多的初生晶粒一一淘汰,不斷長出枝晶並最終進入試樣本體成為單晶鑄件.
至於鎳基單晶合金，在鎳的Gamma固溶態中，有大量分散結晶構造稍為不同的Gamma基本態，只要將這種結晶單晶化，在定向凝固合金中，增加Gamma基本態，提高高溫強度。鎳基單晶合金基本上消除定向凝固高溫合金的限制。F119的渦輪葉片是用第三代單晶作的，DD3可能是第一代。
