对Cu基形状记忆合金的应用研究已经证实,将各向异性的多晶Cu基记忆合金材料制备成柱状晶甚至单晶,能够显著提高合金的最大可恢复应变和疲劳性能,改善加工和机械性能,扩大记忆合金的应用领域。尽管TiNi形状记忆合金的弹性各向异性(A≈2)要小于Cu基记忆合金(A≈13),但研究表明,TiNi合金的记忆性能和力学性能与晶体学取向也有着很大的依赖性和关联性。本论文通过自主设计、自行研制高温度梯度真空感应熔炼-定向凝固单晶炉和迷宫式选晶器,利用改进的Bridgeman定向凝固技术成功制备出较大几何尺寸(Ф15-20×200mm)的Cu基合金(CuAlNiBe、CuAlNi、CuAlBe)单晶或柱状晶和TiNi合金(Ti-55.1Ni wt%)单晶。其中Cu-12.5Al-3.5Ni-0.5Be合金成分的设计为首先提出。通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、示差扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、材料综合实验机和自制的记忆特性测量仪器等设备对所研制的单晶样品的宏、微观组织结构、相组成、相变特性及形状记忆特性、机械性能进行了系统研究。研究结果证明自行研制的高温度梯度真空感应熔炼-定向凝固单晶炉设计思路正确,结构紧凑,各分系统衔接良好,满足了多种记忆合金单晶制备的需求。迷宫式选晶器有效地实现了晶体的择优取向,成功地制备出具有较优性能的单晶和定向凝固的柱状晶记忆合金。选晶器模壳的界面反应的研究表明,高品质三高石墨可以作为定向凝固TiNi单晶及Cu基记忆合金单晶的选晶器模壳材料;而国产BN,因其会与TiNi熔体发生较剧烈的反应,不适宜作为选晶器模壳。通过宏、微观组织分析研究确认,利用自行研制的定向凝固单晶炉拉制的Cu基合金和TiNi合金铸棒样品确为单晶。Cu基记忆合金单晶内无晶界,其单晶生长方向即为记忆性能较佳的择优取向;TiNi合金单晶的试样横截面与纵截面均呈枝状晶分布特征,枝晶生长方向与定向凝固方向基本一致,没有出现晶界,单晶横截面法向与[111]取向夹角15°,接近TiNi合金记忆性能最佳的晶粒取向( [233], [111] ),是一个基本达到设计要求的取向。枝晶之间平行析出了Ti2Ni相,同时也有少量C元素在凝固过程中以TiC颗粒的形式析出,但碳化物的存在未影响单晶的制备与其性能。DSC法相变参数测定表明,Cu基合金及TiNi合金单晶样品具有典型的记忆合金相变特征,Mf、Ms、As、Af各相变点显示明显,相变温度与其成分范围基本吻合,为后续研究奠定了良好基础。形状记忆效应弯曲试验、拉伸变形实验及冷热循环疲劳实验的结果表明,自主研制的Cu-12.5Al-3.5Ni-0.5Be记忆合金单晶经热处理后记忆性能优异,最大可恢复应变达到10%以上,记忆疲劳性能明显优于多晶,其机械性能和加工性能也明显好于多晶合金;经过500℃热处理的TiNi合金单晶样品弯曲记忆性能最好,最大可恢复应变接近10.83%,与普通铸造、加工的多晶材料相比有了25%左右的提高,与理论计算的最大值10.7%相近,验证了我们优化合金性能的设想。同时其记忆疲劳性能也得到了较大的提升。由于等原子比TiNi合金单晶基体中未出现增强相,试样高温相基体塑性变形屈服强度较低,导致在达到应力诱发马氏体临界屈服应力之前,材料已经发生了部分滑移,导致出现了不可逆塑性变形,因此材料在Af温度点以上仅表现出了部分超弹性,残余变形较大,总体强度也偏低。