单晶高温合金不仅应用于航空发动机，还用于火箭发动机、舰船与地面燃气轮机等动力装置，是国防建设和国民经济发展的重要材料。

20世纪40年代以来，航空发动机涡轮叶片材料由早期的变形高温合金发展到铸造高温合金，随后铸造高温合金由等轴晶铸造高温合金发展到定向凝固柱晶高温合金，70年代末又从定向凝固柱晶高温合金发展到单晶高温合金。按承温能力区分，单晶高温合金已发展了第一代、第二代、第三代和第四代单晶高温合金，并开始研究第五代单晶高温合金。中国已建立了单晶高温合金材料体系，包括主干单晶高温合金DD3、DD6、DD9。

60年代，美国普惠公司首先开始单晶高温合金研究。70年代末，美国成功研制出承温能力比第一代定向凝固柱晶高温合金高25～50℃的第一代单晶高温合金PWA1480。此后，单晶高温合金获得蓬勃发展。第一代单晶高温合金137兆帕/100小时的承温能力为1030～1050℃。中国从80年代开始单晶高温合金研究，研制成功了具有自主知识产权的第一代单晶高温合金DD3与DD408，以及第一代单晶高温合金DD402、DD407等，上述合金在航空发动机上进行了试车考核或得到了实际应用。

80年代后期以来，随着合金设计水平的提高和制造技术的进步，出现了第二代单晶高温合金PWA1484等。第二代单晶高温合金在欧美民用与军用航空发动机上获得广泛应用。第二代单晶高温合金137兆帕/100小时的承温能力达到1070～1100℃。国际上第二代单晶高温合金的特点是含3%左右的铼（Re）。Re显著提高单晶高温合金的高温强度，但Re资源稀少，价格昂贵。90年代末，中国研制成功具有自主知识产权的含2%Re的低成本第二代单晶高温合金DD6，该合金综合性能优良，已广泛应用在多种先进航空发动机上。21世纪初，中国研制了含3%Re的第二代单晶高温合金DD5、DD12及含4%Re的DD432，这3种合金在先进航空发动机上获得了应用。

90年代中期以来，美国出现了第三代单晶高温合金CMSX-10等。第三代单晶高温合金137兆帕/100小时的承温能力达到1120℃。国际上第三代单晶高温合金的特点是Re含量增加到5%～6%。21世纪初，中国开始发展第三代单晶高温合金，研制成功具有自主知识产权的含4.5%Re的低成本第三代单晶高温合金DD9，并研制了其他第三代单晶高温合金，上述合金已开始在先进航空发动机上获得应用。

21世纪初，在第三代单晶高温合金基础上，美国发展了第四代单晶高温合金EPM-102。第四代单晶高温合金137兆帕/100小时的承温能力达到1140℃。在第四代单晶高温合金的发展中，添加了元素钌（Ru），其含量通常为2%～4%。中国正在发展DD15等第四代单晶高温合金。

在第四代单晶高温合金基础上，国际上开始发展承温能力更高的第五代单晶高温合金。第五代单晶高温合金137兆帕/100小时的承温能力达到1160℃。日本报道了第五代单晶高温合金TMS196，中国正在发展第五代单晶高温合金，如DD18。

单晶高温合金的显微组织主要由γ相基体及在γ相基体上共格析出的γ′相组成。由于凝固过程的溶质再分配，铸态合金的枝晶间富集了Al、Ta等γ′相形成元素，从而形成了共晶和粗大的γ′相；枝晶干富集了W、铼（Re）等γ相形成元素，形成枝晶偏析。γ′相是单晶高温合金的主要强化相，其数量、尺寸、形态和分布对合金性能有决定性的影响。因此，需要通过热处理调整γ′相的数量、尺寸、形态和分布以获得最佳配合，最终使合金获得期望的力学性能。

单晶高温合金不含或少含晶界强化元素，消除了晶界。与定向凝固柱晶高温合金相比，单晶高温合金的热强性能显著提高，综合性能优异。

航空发动机涡轮叶片工作环境苛刻，承受着高温、高压、高转速、大应力和氧化腐蚀的共同作用，涡轮叶片甚至长期工作在“极限”状态，因此对材料有着更加特殊、严格的要求。单晶高温合金不仅具有优良的高温强度、良好的抗氧化和耐热腐蚀性能，而且还具有良好的综合性能，如蠕变性能、疲劳性能、断裂韧性、组织稳定性、工艺性能等，所以先进航空发动机几乎都使用单晶涡轮叶片。

一般航空发动机涡轮叶片是涡轮转子（工作）叶片与涡轮导向叶片的统称。涡轮转子叶片是转动件，承受着由高速旋转产生的巨大离心力；而涡轮导向叶片为静止件，承受着很大的热冲击与热应力。航空发动机涡轮转子叶片叶身的工作寿命受垂直于应力轴晶界的影响，由于单晶高温合金消除了与叶片主应力轴垂直的晶界，显著提升了合金材料的承温能力。