单晶镍基合金的组织是由合金化的γ基体和与其共格的高体积分数的γ'强化相组成，合金的强化方式主要是固溶强化和第二相强化。


一、固溶强化


  镍基单晶高温合金的固溶强化是利用在镍中大量溶解合金元素而获得显著的强化效果，主要合金元素有钴、铬、钨、钼、铌等。其主要作用有以下几个方面：


   1. 提高基体的再结晶温度，减少基体中元素的扩散及基体与强化相之间的扩散。


   2. 产生能够支持较高温度的原子集团，降低堆垛层错能，使大量溶质原子有可能在分解位错中聚集，形成溶质原子气氛并对位错起钉扎作用，使位错难以在晶体点阵中运动，减少位错的活动性。


   3. 通过加人多种元素使合金复杂化，充分发挥元素的强化效应，增强体在应力条件下热稳定性及其对位错的阻碍作用。


  Cottrell 指出：固溶体中合金元素对蠕变抗力的贡献可能由于降低了堆垛层错能，使位错易于分解成为扩展位错，因而使攀移与交叉滑移难以进行。Mader利用X射线研究发现：钴使镍钴合金的层错能降低，并提高蠕变强度。显然，如果大量的溶质原子在分解位错或位错割阶中沉积，将有利于阻止位错的攀移，有效地延缓回复过程，从而提高合金的蠕变性能。


  通常塑性变形借助于位错的滑移和交滑移进行，当位错进行交滑移时，通过束集转移到新、旧滑移面的交线后，形成扩展位错，由于溶质原子分布在滑移面上，会提高层错能，使位错不易扩展，进而提高了材料的屈服强度。


二、 第二相强化


   γ'-(Ni3Al)相为Ll2结构的有序金属间化合物，是镍基单晶合金中的重要强化相。γ'相与γ基体保持共格关系，其强化作用取决于γ相的数量、尺寸和本身固溶强化程度等；γ'、γ两相晶体结构相同，具有共面滑移特征，但γ'相为有序结构，镍原子和铝原子沿［110] 和［112]方向排列原子结合力较强，当位错线在γ'相的（111) 滑移面沿［110] 方向运动时，位错扫过之处，滑移面两侧的近邻原子发生错排，失去了有序结构相邻原子的结合键，而在滑移面留下一反相畴界，同时伴随能量的提高。因此，位错切过γ'相时，需要较高的外力，产生了显著的第二相强化。


   固溶强化与γ'相沉淀强化相比，固溶强化对强度的贡献是次要的。因此，通常认为镍基高温合金塑性变形中对位错起阻碍作用的是γ'沉淀相，这是镍基高温合金具有优异高温强度最根本的原因。