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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter December 20, 2021

Diffusion of Ge in Binary and Ternary Al–(Si,Ge) Solid-solution Alloys

Diffusion von Ge in binären und ternären Al–(Si,Ge) Mischkristallegierungen
Thomas Zumkley and Helmut Mehrer

Abstract

In this paper we report on the 71Ge diffusion in Al–(Si,Ge) solid-solution alloys with seven different microalloying concentrations. The temperature, composition, and pressure dependence of diffusion and the pertaining activation enthalpies, enhancement factors, and activation volumes have been determined within the solid-solution phase field. The radiotracer method in combination with serial sectioning by microtome was employed in our experiments. Oxide hold-up effects of the isotope at the surface, which are often encountered in tracer diffusion studies of Al and of Al alloys, have been overcome either by sputter-cleaning of the diffusion samples before evaporating a thin 71Ge layer or by implantation of 71Ge. Diffusion anneals were either performed at ambient pressure or in a high-pressure cell. Like in pure aluminium Ge is a ‘normal’ diffuser in both binary and ternary solid solutions. Its activation enthalpies are slightly smaller than those of self-diffusion of the Al solvent. Activation volumes of about one atomic volume are observed which are typical of vacancy-mediated diffusion of ‘normal’ foreign atoms in Al. Solute additions slightly enhance the Ge diffusivity in both binary and ternary solid solutions by similar amounts. The results are discussed together with literature data on the temperature and pressure dependence of the diffusion of various solute atoms in pure Al.

Abstract

In diesem Aufsatz berichten wir über die Diffusion von 71Ge in Al–(Si,Ge)-Mischkristallegierungen mit sieben verschiedenen mikrolegierten Zusammensetzungen. Die Temperatur-, Konzentrations- und Druckabhängigkeit der Diffusion und die dazugehörigen Aktivierungsenthalpien, Anstiegsfaktoren und Aktivierungsvolumina wurden innerhalb des jeweiligen primären Mischkristallgebietes bestimmt. In unseren Experimenten wurde die Radiotracermethode und Schichtenteilung mit einem Mikrotom verwendet. Einflüsse der Oxidschicht an der Oberfläche, welche sehr oft Tracerdiffusionsuntersuchungen in Al und Al-Legierungen beeinträchtigten, wurden entweder mittels Ionenätzen der Diffusionsprobe mit anschließendem Aufdampfen einer dünnen 71Ge-Schicht oder mittels Ionenimplantation von 71Ge überwunden. Diffusionsglühungen wurden entweder in einer Quarzampulle unter Normaldruck oder in einer Hochdruckzelle durchgeführt.

Wie in reinem Al ist Ge sowohl in den binären als auch in den ternären Mischkristallen als ,normal‘ diffundierendes Legierungselement anzusehen. Die erhaltenen Aktivierungsenthalpien weichen nur wenig von jener der Selbstdiffusion in der reinen Al-Matrix ab. Aktivierungsvolumina von der Größenordnung eines Atomvolumens wurden gefunden, welche typisch sind fur einen Diffusionsmechanismus über Leerstellen von ,normalen‘ Fremdatomen in Al. Die Zulegierung von Ge und Si führt zu einem leichten Anstieg der Ge-Diffusion sowohl in den binaren als auch in den ternären Mischkristallen. Die Ergebnisse werden zusammen mit Literaturdaten zur Temperatur- und Druckabhängigkeit der Diffusion von verschiedenen Fremdatomen in reinem Al diskutiert.


Th. Zumkley, H. Mehrer1), Institut für Metallforschung Universität Münster Wilhelm-Klemm-Straße 10 D-48149 Münster Germany

Corresponding author: Phone: + 49-2 51-8 33 35 71


We are grateful to Prof. Dr. E. Hornbogen (Ruhr-Unversitöt Bochum) for stimulating discussions which drew our attention to the Al–(Si–Ge) system. The isotope 71Ge was produced by neutron activation of pure Ge at the Forschungszentrum GKSS Geesthacht. We are grateful to Dr. K. Freitag (Institut fur Strahlen- und Kernphysik, Universität Bonn) for the implantation of some samples with 71Ge and to Dipl.-Phys. Kathrin Knorr and M. Salamon (both at the Institut far Metallforschung of the Universität Münster) for critical reading of the manuscript. This work was financially supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (project Me 480/27-1).

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Received: 1998-03-04
Published Online: 2021-12-20

© 1998 Carl Hanser Verlag, München