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Cr, Co元素作为固溶强化元素优先溶解于面心立方结构的镍基奥氏体基体γ相中。Cr是抗环境腐蚀元素，Cr元素可以形成保护性Cr2O3氧化层，因该保护层具有低的阳离子空位，可抑制金属元素向外扩散，O、N、S以及其它有害元素向内扩散，所以其在抗热腐蚀和抗氧化方面发挥了很大作用。这些合金中有较高体积分数的γ'相，其以类似立方形沉淀的样子分散在γ相基体中（图1.2）。Co进入基体后产生固溶强化效果，尤其是降低基体的层错能，可极大地提高合金的持久强度和蠕变抗力[15]。此外，Co还能提高Mo、W和 Cr等元素在基体中的溶解度，提高固溶强化作用。同时增加C在基体中的溶解度，减少碳化物的析出。又能降低Al和Ti在基体中的溶解度，进而提高γ'强化相的数量。另外，Co能改善镍基合金的热加工性能和塑性，提高合金的组织稳定性。
V、Ti、Nb和Ta等，通过置换Ni3Al中的Al元素参与组成 (Ni3(Al,X))沉淀相使γ'相得到强化，起第二相沉淀强化作用[16, 17]。γ'相是镍基单晶高温合金中的主要强化相。Al元素也以形成表面Al2O3层的方式防止合金进一步氧化。为了保证足够高的γ'强化相含量，一般合金内的Al元素含量在 5wt.%以上。Ti可减少Al的溶解度进而促进γ'相的析出，同时Ti本身进入γ'相，具有强化γ'的作用。Ta主要溶入γ'相，少量溶入γ基体相中，Ta能降低其它合金元素在γ固溶体中的溶解度，促进γ'相析出，延缓γ'相的聚集长大过程，因而可提高合金强度。同时Ta比Ti具有更高的稳定γ'相作用，从而提高合金的持久寿命。另外，Ta能使基体内的Cr稳定，间接地起到抗热腐蚀的作用，同时还能提高合金的铸造性能和组织稳定性。
表1.1 第一代镍基单晶高温合金的化学成分表(wt.%)
图1.2 第一代单晶高温合金AM3完全热处理后的γ-γ'两项区微观结构图
原先在普通铸造和定向铸造柱状晶高温合金中经常加入的晶界强化元素如C, B, Zr和Hf等通常不在单晶铸造的高温合金中加入。例如从Mar-M247衍生出的NASAIR 100合金就禁止晶界强化元素的加入[18]。用超过固溶体分解温度的的高温进行固溶热处理，使二次γ'相沉淀完全熔解并几乎去完全去除枝晶间粗大初生γ'相粒子，使合金初熔点从1240 oC提升至1330 oC。上述结果使合金在高温低压条件下的抗蠕变温度升高了58oC。
(2) 第二代合金
第二代单晶合金以 PWA 公司的 PWA1484[19] 为代表，它是在第一代单晶的基础上添加了3wt.%左右的铼(Re)元素。一些合金设计者发现，在单晶高温合金中加入Re元素可以大幅度提高合金抗蠕变性能优于Mo和W等元素。一项基于Mar-M200单晶高温合金的研究成果表明Re的加入可以大幅减小γ'粗化驱动力，并生成大量的γ-γ'区[20]。用原子探针方测试加入了Re元素的改进型CMSX-2和PWA-1480合金，结果表明在γ基体中存在由Re原子组成的原子簇，这中原子簇带来的强化效果比原先的固溶强化更加显著[21,22]。加入3 wt.% Re元素的镍基单晶高温合金其工作温度提高了约30℃[23]。最开始的含有Re元素的单晶合金被定义为第二代单晶高温合金。此外，PWA1487、CMSX-4、RenéN5 等也是典型的二代单晶合金。其化学成分见表1.2
表1.2 第二代镍基单晶高温合金化学成分表（wt.%）
由于Re元素优先分散于γ相基体中，为了达到机械性能和环境性能的更好平衡，所以传统的γ相形成元素如Cr、Co、Mo、W等的加入量必须减少并配比严格，以免造成固溶体过饱和造成富Re的TCP相沉淀析出。