1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы Обеспечение технологической безопасности России во многом зависит от внедрения новых решений, их апробации и, что важно, от разработки технических идей. Университеты играют значительную роль в генерации таких идей [1-4]. Одной из них актуальной на сегодня является идея, связанная с задачей управления параметрами шероховатости поверхности. Она особенно важна при производстве медицинской техники. Прежде всего, это связано с возможностью получения антибактериальных поверхностей, внедрением новых материалов [5-8]. Между тем, получение поверхности с низким параметром шероховатости Ra представляет собой определенную трудность. Это связано с применяемыми технологическими методами для снижения шероховатости. Среди них можно выделить механические, химические, электрохимические, электроэрозионные, электролитно-плазменные методы обработки поверхности. Механическое полирование позволяет получить параметр шероховатости Ra 0,05-0,4 мкм. Однако высокая трудоемкость ограничивает применение данного метода [9]. Химическим полированием с использованием сильных кислот можно получить минимальный параметр шероховатости Ra 0,8-0,2 мкм, при этом необходимо отметить отрицательное влияние процесса на здоровье обслуживающего персонала [10]. Электрохимический метод обработки в значительной мере снижает отрицательные факторы и позволяет снизить минимальный параметр шероховатости до Ra ≤ 0,01 мкм [10, 11]. Метод электроэрозионной обработки позволяет получить чрезвычайно низкий параметр шероховатости Ra 0,002-0,32 мкм [12]. Однако данная технология имеет ограничения по конфигурации и размеру обрабатываемых изделий. Авторы работ [13-17] показывают возможность достижения минимального параметра шероховатости для нержавеющих сталей и титановых сплавов при электролитно-плазменной обработке в электролитической ванне в диапазоне Ra 0,060-0,004 мкм. Конкурирующим способом обработки в электролитической ванне является струйная электролитно- плазменная обработка. В наших работах показана возможность достижения электролитно-плазменной обработкой минимального параметра шероховатости поверхности в диапазоне Ra 0,034-0,020 мкм [18, 19]. Зарубежные авторы показывают достижение среднеарифметической высотной величины шероховатости поверхности Sa 29 нм для обработки в электролитической ванне и Sa 80 нм для струйной обработки [20, 21]. Обработка струей электролита имеет преимущества перед обработкой в электролитической ванне за счет более высокой скорости достижения заданного параметра шероховатости при достижении более высокой точности обработки и более низкой шероховатости поверхности [18, 19]. Однако до сих пор остается неясным вопрос о том, в каком диапазоне можно управлять параметрами шероховатости поверхности струйной обработкой и получать результаты, сопоставимые с обработкой в электролитической ванне.Целью работы является анализ технологической возможности управления параметрами шероховатости нержавеющих сталей в процессе струйной комбинированной электролитно-плазменной обработки.Задачами работы являются проведение оптической, электронной, атомно-силовой микроскопии, анализ морфологии поверхности и параметров шероховатости, динамика изменения параметра шероховатости Ra после струйной электролитно-плазменной обработки. 2 Материалы и методы  При проведении научных исследований была использована экспериментальная установка для струйной комбинированной электролитно- плазменной обработки. Установка имеет патент № 2623555 (правообладатель СПбПУ) [22]. Сущность комбинированной обработки заключается в последовательном технологическом подходе, заключающемся в предварительной обработке поверхности образцов электролитической струей, а затем финишном снятии микрообъемов материала для получения поверхности с низким параметром шероховатости поверхности Ra. а)                                                                                 б)Рисунок 1 – Принципиальные схемы струйной комбинированной электролитно-плазменной обработки струей электролита (а) и струйным объемным разрядом (б) В исследованиях комбинированной обработке подвергались образцы из нержавеющих сталей 20Х13, 08Х18Н9Т, AISI 304, AISI 310, а также материалов из AISI 316L, ЭП648, Инконель 718, полученных технологией лазерного сплавления SLM. Образцы сталей были нарезаны лазером и механическими ножницами с размерами 30х30х1,5 мм, 50х50х1 мм. Образцы сплавов были напечатаны на 3D-принтере с размерами 30х20х2 мм. В качестве электролитов использовались растворы солей Na2SO4 и (NH4)2SO4.В исследованиях использовался диапазон режимов для струйной комбинированной электролитно-плазменной обработки (табл. 1). Таблица 1 – Исходные данные экспериментаПараметрЭлектрохимический режимЭлектролитно-плазменный режимКонцентрация, г/л20-4020-40Время обработки, с6602200Напряжение, В20-130200-380Ток разряда, А1-50.01-0.5Минутная подача, мм/мин180-50020-100Объемный расход электролита, л/ч10-902-10 Измерение параметров шероховатости поверхности проводили с использованием прибора измерения шероховатости профилометра MarSurf M 400 (Германия), профилометра MarSurf PS10 (Германия) со стандартным щупом PHT6-350, координатно-измерительной машины (КИМ) Mitutoyo модели Crysta-Apex S574 серии 191 (Япония) с измерительным датчиком Surftest SJ-310. Оценку морфологии поверхности проводили с использованием металлографического микроскопа МЕТАМ ЛВ 31 (ЛОМО, Россия), съемкой с окуляра мобильным устройством Redmi, растровых электронных микроскопов SUPRA 55VP-25-78 (Германия), и Fei Inspect F50 (США), а также атомно-силового микроскопа модели Ntegra Aura (Россия) с виброизоляцией. Измерения на атомно-силовом микроскопе проводились полуконтактным методом по двум осям. Паспортный уровень шумов атомно-силового микроскопа по осям < 0,1 нм  [23, 24]. 3 Результаты исследований 3.1 Исследование поверхности сталей и сплавов методами оптической и растровой электронной микроскопии 3.1.1 Исследование поверхности сплавов, полученных технологией SLM методами оптической микроскопии Воздействие струи электролитной плазмы на поверхность образцов сталей и сплавов, полученных технологией SLM и исследование процесса изменения морфологии поверхности методами оптической микроскопии нами подробно изложено в предыдущих работах [18, 19, 25]. Важным критерием, определяющим достижение конечного минимального параметра шероховатости поверхности, является подготовка поверхности и переход граничных условий нанометрового диапазона параметра шероховатости Ra, соответствующих величинам 0,1-0,2 мкм. Этому же диапазону соответствует и предельное достижение на сегодня параметра шероховатости Ra при выравнивании поверхности никелевых жаропрочных сплавов ЭП648, Инконель 718 и стали AISI 316L (рис. 2.). Это связано, прежде всего, с наличием многочисленных дефектов поверхности и объема, сформированных в процессе сплавления частиц металла и последующего гидростатического прессования образцов после технологии SLM.3.1.2 Исследование исходной поверхности из стали 08Х18Н9Т при малом начальном параметре Ra 0,4 мкмАнализ морфологии поверхности без струйной фокусированной обработки показывает, что на поверхности имеются риски, не совпадающие с направлением неровностей шероховатости толщиной от 0,5-10 мкм (рис 3, а, б).  Исходная поверхность имеет следы дефектов металлургического характера: поры, лунки с острыми краями по границам зерен (рис 3, а, б). При увеличении разрешения на снимке выявляются зерна металла разных размеров от 1 до 10 мкм (рис 3, б, в).  Наблюдается четкое формирование границ зерен, как более легко удаляемой фазы металла (рис 3, б, в). Ширина границ зерен составляет величину от 0,1 до 0,4 мкм (рис 3, б, в).  3.1.3 Исследование поверхности стали 08Х18Н9Т при малом начальном параметре Ra 0,4 мкм после струйной электролитно-плазменной обработкиАнализ морфологии поверхности, полученной после струйной фокусированной электролитно-плазменной обработки, показывает, что поверхность имеет ровный гладкий вид с отдельными дефектами в виде несплошностей (углублений) неправильной формы металлургического происхождения, полученных при прокатке листового материала (рис. 4, а).Размеры дефектов составляют Ø 0,1-0,3 мм (рис. 4, а). Увеличение разрешения поверхности показывает, что поверхность в нескольких местах пересекается рисками случайного происхождения (рис. 4, б). На поверхности наблюдаются многочисленные места выхода дислокаций и границы кристаллитов (рис. 4, б).         а) Инконель718 (SLM); б) ЭП 648 (SLM); в) AISI 316L (SLM); г) 08Х18Н9Т (прокатка) Рисунок 2 – Динамикаизменения морфологииповерхности материалов(металлографическиймикроскоп МЕТАМ ЛВ 31)  а) поле 150×250 мкм; б) поле 75×125 мкм; в) поле 25×15 мкм; г) поле 25×15 мкмРисунок 3 – Исходная морфология поверхности образца из стали 08Х18Н9Т,полученного прокаткой (РЭМ Fei Inspect F50)а) поле 350х250 мкм; б) поле 12,5х7,5 мкмРисунок 4 – Морфология поверхности образца из стали 08Х18Н9Т, полученного прокаткой после струйной фокусированной электролитно-плазменной обработки поверхности(РЭМ Fei Inspect F50) 3.2 Результаты измерений параметров шероховатости3.2.1 Исследование поверхности после струйной фокусированной электролитно-плазменной обработки при исходном параметре шероховатости Ra 0,4 мкмИзмерение высоты микронеровностей поверхности профилометром Surftest SJ-310 показывает высоту средней линии, равную 0,005 мкм на базовой длине 0,8 мм при наибольшей высоте неровностей профиля Rmax, находящейся в диапазоне значений от -0,062 до 0,072 мкм (рис. 5).  Рисунок 5 – Профилограмма поверхности образца, полученнаяна координатно-измерительной машине (КИМ) Mitutoyo модели Crysta-Apex S574серии 191 с измерительным датчиком Surftest SJ-310 Анализ воздействия струйной фокусированной электролитной плазмы на поверхность образца из стали 08Х18Н9Т, полученного методом прокатки, показывает, что при исходной шероховатости Ra 0,4 мкм после струйной электролитно-плазменной обработки достигается параметр шероховатости Ra 0,019 мкм при длине трассы ощупывания Lt = 0,560 мм [26]. Результаты измерения представлены на рис. 6.В результате исследований, выполненных на атомно-силовом микроскопе модели Ntegra Aura по оценке 3D-параметров поверхности при объеме выборки 65536 As и площади выборки 2499,515 мкм2 нами получены следующие данные, приведенные в табл. 2. Важным параметром при этом является то, что средняя арифметическая высота поверхности, полученная на площади выборки 2499,515 мкм2 составила величину 11,713 нм. Измеренные параметры шероховатости для числа выборки 255,l и длине выборки 49,799 мкм приведены в табл. 3.а)                                                                       б)Рисунок 6 – Результат измерения образца нержавеющей стали 08Х18Н9Т прибором измерения шероховатости профилометре MarSurf M 400 Таблица 2 – Результаты оценки 3D параметров поверхности [27]ОбозначениепараметраНаименование параметраСреднеезначениеординатыРазмерностьПараметры высоты SqСреднеквадратичная высота поверхности14,471нмSaСредняя арифметическая высота поверхности11,713нмSskЭксцесс распределения высоты2,839 SskНеравномерность распределения по высоте-0,181 SzМаксимальная высота поверхности156,959нмS10zВысота десяти точек118,353нмSpМаксимальная высота пика134,639нмSvМаксимальная глубина впадины22,319нмПространственные параметрыSdsПлотность вершин поверхности2,1121/мкм2SscСредняя кривизна вершин0,3091/мкмStdНаправление текстуры поверхности-59,062градStdiИндекс направления текстуры поверхности0,664 SrwРадиальная длина волны50,191мкмSrwiРадиальная длина волны0,0286 Гибридные параметрыSdqСреднеквадратичный уклон поверхности0,0422 Sdq6Среднеквадратичный уклон площади0,0287 S2AПроектируемая площадь2499,515 S3AПлощадь поверхности2501,739 SdrКоэффициент площади поверхности0,0889%Стандартная статистика. Параметры стандартной статистики Объем выборки65536  Площадь выборки2499,515мкм2 Среднее значение38,298нм Минимальное-22,319нм Максимальное134,639нм Расстояние от вершины до пика156,959нм Среднеквадратичное значение, RMS14,471нм Средняя шероховатость11,713нмSskАсимметрия-0,181 SkaЭксцесс2,839  Таблица 3 – Измеренные параметры шероховатости [28, 29]ОбозначениепараметраНаименование параметраСреднеезначениеординатыРазмерностьПараметры амплитудыRaСреднее арифметическое отклонение профиля14,092нмRqСреднеквадратичное отклонение профиля16,870нмRskАсимметрия профиля0,0722-RkuЭксцесс профиля2,570-Параметры амплитуды (пик и впадина)RmaxМаксимальная высота профиля81,909нмRpМаксимальная высота пика профиля48,033нмRvМаксимальная глубина впадины профиля33,876нмRzВысота неровностей по десяти точкам40,830нмПараметры интервалаSmСредняя ширина элементов профиля3,671мкмSСреднее расстояние между локальными пиками (ГОСТ 25142)0,673мкмLqСреднеквадратичная длина волны профиля3,302мкмLaСредняя длина волны профиля4,519мкмL0Длина развернутого профиля3,330мкмl0Коэффициент развернутого профиля1,000-DПлотность пиков профиля13,563-DqСреднеквадратичный наклон профиля0,0320-DaСредний арифметический наклон профиля0,0234- При этом величина среднеарифметического отклонения профиля Ra составила 14,092 нм.Профиль шероховатости поверхности с диапазоном микронеровностей после струйной фокусированной электролитно-плазменной обработки показан на рис. 7.  Рисунок 7 – Измерение профиля шероховатости поверхности В результате проведенных исследований получены сканы поверхности образца из нержавеющей стали 08Х18Н9Т после струйной фокусированной электролитной плазменной обработки. Морфология поверхности сканов показывает, что поверхность имеет развитый микрорельф. На поверхности фиксируются следы остатков пиков вершин шероховатости, совпадающих с направлением шероховатости в виде гребней и впадин микронеровностей (рис. 8, а, б).На сканах наблюдается единичный дефект каплевидной формы с размером около1 мкм (рис. 8, а, б, левый верхний угол). Первичное предположение о наличии в этом месте электрического разряда не подтверждается самой формой дефекта, который мог быть получен вследствие прокатки металла листа стали 08Х18Н9Т. Кроме этого дефекты разного диаметра и также угловатой формы наблюдаются на исходных образцах до обработки и на образцах после струйной электролитно-плазменной обработки. Характерно, что внешний вид дефектов не имеет округлой формы в виде сфер, присущих искровому разряду, а имеет неправильные заостренные формы. Это ставит под сомнение их происхождение, как электроискровых разрядов.Анализ результатов измерений (рис. 8, в, г) показывает, что при изменении диапазона измерений минимальная величина параметра шероховатости поверхности Ra лежит в диапазоне измерений 4,20-4,40 нм. При этом базовая длина измерения шероховатости составляет величину 10 мкм.3.2.2 Динамика изменения параметра шероховатости поверхности Ra в процессе струйной фокусированной электролитно-плазменной обработкиАнализ динамики изменения шероховатости после струйной фокусированной электролитно-плазменной обработки показывает, что возможность получения низких параметров шероховатости имеется при снижении исходного параметра шероховатости поверхности Ra до диапазона 0,4-0,1 мкм. Превышение этого диапазона ведет к увеличению волнистости поверхности, росту финишного параметра шероховатости поверхности Ra или технологически неоправданному увеличению времени обработки, а в отдельных случаях, к невозможности получить заданный параметр шероховатости Ra. Динамика изменения параметра шероховатости поверхности Ra от времени обработки представлена на рис. 9. Время достижения заданного параметра во многом зависит от исходного состояния поверхности, выбора электролита, условий формирования плазмы. 4 Обсуждение и заключение Анализ результатов проведенных исследований показывает, что комбинированная обработка позволяет в широких пределах изменять параметр шероховатости поверхности Ra от начальных значений Ra 80 мкм до чрезвычайно малых величин Ra 0,004 мкм, полученных нами на базовой длине 10 мкм. Это означает, что технологически возможно изменение параметра шероховатости поверхности Ra до заданной величины после механической обработки во всем диапазоне значений за счет струйной комбинированной обработки. Результаты, полученные в исследованиях, значительно превосходят значения параметров шероховатости после электролитно-плазменной обработки в ванне (Ra 0,06–0,01 мкм) для нержавеющих сталей [13-15]. Полученные зарубежными авторами [20,21] величины среднеарифметической высоты поверхности Sa 80 нм и Sa 29 нм при обработке струей электролита значительно больше в сравнении с достигнутыми нами результатами среднеарифметической высоты поверхности Sa 11,713 нм, зафиксированными на атомно-силовом микроскопе модели Ntegra Aura.Исследования морфологии поверхности после финишной струйной электролитно-плазменной обработки показывают, что поверхность не имеет видимых следов от единичных разрядов. Это может говорить о том, что величина энергии единичных разрядов при обработке наноповерхностей значительно меньше, чем указанные нами в работе [30]. Предполагается, что энергия единичного разряда необходимого для финишной обработки поверхности с наноразмерной шероховатостью составляет E = 1 · 10-6 – 1 · 10-7 Дж.    в)г)а)б) а) расстояние от поверхностидо кантелевера 5,1 nA;б) расстояние от поверхностидо кантелевера - 4,5 nA; в) диапазон высоты измерениянаношероховатости -20,00 – 20,00 нм; г) диапазон высоты измерения нано шероховатости 4,20 – 4,40 нм;Рисунок 8 – Морфология поверхности образца из стали 08Х18Н9Т, обработанная струйнойэлектролитно-плазменнойобработкой с параметромшероховатости Ra 0,004 мкм(АСМ Ntegra Aura)   1, 2 образцы ‒ сталь 20Х13(РЭМ); 3-й образец ‒ поверхность стали 08Х18Н9Т (РЭМ);4 образец ‒ поверхность стали 08Х18Н9Т(АСМ)Рисунок 9 – Изменение параметра шероховатости поверхности Raи морфологии поверхности в зависимости от времени обработки Выводы:В процессе струйной комбинированной фокусированной обработки возможно снижение параметра шероховатости Ra с ~80 мкм до ~0,004 мкм, что охватывает практически весь диапазон шероховатости после механической и SLM обработки.Струей электролита при объемных расходах Q = 10-90 л/ч возможно получение параметра шероховатости Ra 0,2 мкм как для нержавеющих сталей, полученных технологией SLM (AISI 316L), так и для никелевых жаропрочных сплавов типа ЭП648, Инконель 718. Струйным фокусированным электролитно-плазменным разрядом возможно получение предельно малой величины шероховатости поверхности, подтвержденное измерениями на атомно-силовом микроскопе для среднеарифметической высоты поверхности Sa 11,713 нм на площади измерения 2499,515 мкм2.Технологически возможно получение чрезвычайно малой величины шероховатости до Ra 0,004 мкм, что подтверждается измерениями на атомно-силовом микроскопе на базовой длине 10 мкм.На поверхности с параметром шероховатости Ra 0,004 мкм после струйной фокусированной обработки не фиксируется следов от электрических разрядов. При этом поверхность выглядит сглаженной. Это может говорить о том, что для разряда подобно тлеющему энергия единичных разрядов, воздействующих на поверхность, может составлять E = 1 · 10-7 – 1 · 10-8 Дж. Благодарность Автор выражает благодарность графическому дизайнеру Диане Александровне Поповой за подготовку иллюстраций.