定向凝固柱晶高温合金柱状晶的取向通常为低模量的择优取向〈001〉，具有各向异性的特点。定向合金与等轴晶铸造高温合金相比，由于消除了与主应力轴相垂直的横向晶界，不仅具有良好的中、高温蠕变强度和塑性，而且具有优异的热疲劳性能，在航空发动机上广泛用作涡轮工作叶片和导向叶片。

国际上从20世纪60年代开始定向合金研究，美国普惠公司首先采用定向凝固技术研制出定向柱晶涡轮叶片。国际上定向合金已发展到第四代。第一代定向合金的使用温度大约在1000℃，每提升一代，其承温能力约提高25～30℃。国际上第一、第二代定向合金已在多种先进航空发动机上使用，并早已进入批量生产阶段；第三、第四代定向合金尚未得到应用。

中国从20世纪70年代开始研制定向合金。定向合金主要分为镍基、Ni₃Al基和钴基合金，其中以镍基合金为主。镍基定向合金已发展到第三代，其中第一代和第二代定向合金已在航空发动机上成熟应用，如DZ4、DZ22、DZ125、DZ417G、DZ406等合金主要用于涡轮工作叶片，第三代定向合金还在实验室探索阶段。Ni₃Al基定向合金IC6和IC10具有熔点高、高温持久性能好等优点，主要用于涡轮导向叶片。钴基定向合金DZ40M具有初熔温度高、冷热疲劳性能良好、抗氧化腐蚀性能优异等特点，主要用于高压涡轮导向叶片。

镍基定向合金通常含有铬（Cr）、钴（Co）、铝（Al）等元素，其他常加入的元素有钛（Ti）、钼（Mo）、钨（W）、钽（Ta）、铪（Hf）、铌（Nb）、铼（Re）、钌（Ru）以及微量元素碳（C）、硼（B）、锆（Zr）等，合金化程度较高。不同代次定向合金的成分特征是：第一代合金不含Re、第二代合金含2%～4%Re、第三代合金含5%～6%Re、第四代合金加入了Ru。很多定向合金加入了1%～2%的Hf，改善了合金的横向性能和中温塑性，并改善了可铸性。镍基定向合金的显微组织由γ相基体、γ′相和少量γ+γ′共晶相、碳化物及硼化物组成，γ′相是主要强化相，其体积分数通常达60%以上。Ni₃Al基定向合金的成分和组织与镍基定向合金相似，只是Al含量和γ′相体积分数更高。钴基定向合金中Cr是最主要的合金元素，同时加入了W、Mo、C等合金化元素，其显微组织由γ相基体和碳化物组成，碳化物沉淀强化是此类合金的主要强化机制。

定向合金及其定向涡轮叶片需采用定向凝固工艺制备。工业上应用的定向凝固工艺方法主要有高速凝固法和液态金属冷却法，欧洲地区、美国和中国主要采用高速凝固法，俄罗斯则主要采用液态金属冷却法。定向凝固工艺的过程是将合金熔体浇入已经预热到合金液相线温度以上的陶瓷壳型中，再缓慢将壳型从加热器中拉出，控制金属凝固过程中的温度场分布，主要形成单向一维的温度梯度，使择优生长的<001>取向晶粒平行于热流方向单向顺序生长，并充满型腔，从而得到柱晶结构的铸件。定向凝固涡轮叶片的制造需在专用的真空定向凝固炉内进行。

除钴基合金外，定向合金通常在热处理状态下使用。热处理的目的是调整合金中各种相的数量、形态、尺寸和分布，从而提高其力学性能。定向合金的热处理通常包括固溶和时效处理。固溶处理的目的是使主要强化相γ′回溶并减轻凝固偏析，随后在快速冷却过程中重新析出细小的γ′相；时效处理的目的是调整γ′相的形态和尺寸，并进一步析出细小的γ′相，使合金的强度进一步提高。对于定向合金叶片，应控制定向柱晶的尺寸、数量以及与叶片主应力轴的角度等，工业生产中柱晶取向与主应力方向的最大偏离通常控制在10^°～15^°。此外，还应避免再结晶的发生，叶片固溶处理前应不对叶片进行吹砂、打磨、抛光等机械处理，以避免产生再结晶导致叶片性能下降。

与单晶涡轮叶片相比，定向合金涡轮叶片制造的整个工艺流程较短、合格率较高、成本较低，所以定向合金仍将在航空发动机上获得广泛应用。未来定向凝固柱晶高温合金将向着低成本、高性能的方向发展。