Intrinsic diffusivities ratio analysis in the Al-Cu system

Abstract

Copper and aluminium electric corrosion rates are investigated experimentally at room temperature and at temperature 100 oC. It is founded that copper corrosion is higher than aluminium corrosion, and ratio of electric corrosion rates, kCu/kAl , decreases with temperature increasing. It is calculated that copper corrosion rate is approximately equal to aluminium corrosion at temperature about 300 oC due to Cu2+ ions are less mobile than Cu+ ions. It is obvious physically: the higher temperature is, the grater atoms’ displacements in crystal lattice, Cu atoms can diffuse without two electrons, and Cu2+ ions more strongly interact with crystal lattice than Cu+ ions. Literature data analysis shows than Cu rich intermetallic compounds (IMCs) are formed faster in Cu-Al system at temperature lower than 400 oC, and the Kirkendall plane shifts toward Cu side, but Al rich IMCs are formed faster in Cu-Al system at temperature higher than 475 oC, and the Kirkendall plane shifts toward Al side. It is concluded that Cu2+ ions diffuse in IMCs at temperature higher than 475 oC, but Cu+ ions diffuse in IMCs at temperature lower than 400oC. A theoretical method to calculate intrinsic diffusivities ratio in double multiphase systems is proposed. The method involves the Kirkendall plane displacement and the general phases thickness only. Intrinsic diffusivities ratios in the Al-Cu system are calculated using literature experimental data. Diffusion activation energies and pre-exponential coefficients for the Cu-Al system are calculated combining literature experimental results. Analysis of literature data shows that the Kirkendall shift changes sign at temperature about 460oC in the Cu-Al system because of intrinsic diffusivities ratio, DCu*/DAl*, dependence from temperature. Such result agrees with copper and aluminium electric corrosion rates investigation.

Експериментально досліджено електричну корозію міді та алюмінію при кімнатній температурі та при температурі 100 oC. Отримано такий результат: електрична корозія міді значно швидша, ніж електрична корозія алюмінію, але відношення коефіцієнтів корозії, kCu/kAl , зменшується зі збільшенням температури. Обчислено, що електрична корозія міді та алюмінію приблизно однакова при температурі 300 oC, тому що іони Cu2+ менш рухливі, ніж іони Cu+. Фізично це очевидно: з підвищенням температури збільшується амплітуда коливань атомів у кристалічній границі, атоми Cu можуть дифундувати без двох електронів, а взаємодія іонів Cu2+ з кристалічною границею значно сильніша, ніж взаємодія іонів Cu+. Для аналізу були використані літературні експериментальні дані.