Stresses and defects in the formation of a cellular pattern in directional solidification. Real-time observation by synchrotron X-ray topography on a Al-0.73 wt% Cu alloy

(Received 24 May 1993, accepted 15 November 1993)

Abstract
In situ observations by the synchrotron white beam X-ray topographic method are carried out during the directional solidification of thin samples (0.2-0.3 mm) of a Al-0.73 wt% Cu alloy. Stresses associated to morphological instability and pattern formation are analysed. Due to compressions and dilatations induced by the local curvature of the solidification front (Laplace law), strain contrasts in crystal parts close to the interface appear in the early stages of amplification of perturbations. Advection of dislocations into the grooves and subboundaries outcropping are evidenced for a cellular solid-liquid interface. Two types of strains are left in the grown solid by a cellular microstructure, related to nearly periodic emission of droplets and high gradients of solute, which locally create regions with important parametric mismatch. The time evolution of average cell spacing and amplitude is studied. It follows from the variation of cell spacing with growth speed that the present series of experiments are straddling the finite amplitude cellular and deep cellular regimes.

Résumé
On étudie in situ la solidification unidirectionnelle d'échantillons minces (0,2 à 0,3 mm) d'un alliage Al-0,73 pds% Cu à l'aide de la méthode de topographie aux rayons X en faisceau blanc synchrotron. On analyse les contraintes associées à la formation de l'instabilité morphologique et de la structure cellulaire. Des contrastes de contraintes apparaissent près de l'interface dès le début de l'amplification des perturbations ; ces contraintes sont provoquées par les compressions et dilatations dues à la courbure locale du front de solidification (loi de Laplace). On montre que, dans le cas d'une interface cellulaire, dislocations et sous-joints émergent dans le liquide au fond des gorges entre cellules. Une émission quasi-périodique de gouttelettes depuis les fonds de cellules et de forts gradients de soluté créent localement des régions à désaccord paramétrique important produisant deux types de contraintes dans le solide. On étudie également en fonction du temps l'évolution de l'amplitude des cellules et de leur espacement moyen. On déduit de la variation de l'espacement cellulaire en fonction de la vitesse de croissance que cette série d'expériences se situe entre le régime de cellules d'amplitude finie et le régime de cellules profondes.