Труды КНЦ. Технические науки. – 2026. - № 2

На основании полученных данных сформулированы рекомендации по обеспечению однородности модифицированного слоя при обработке заготовок сложной формы в тлеющем разряде в результате проявления близко- и дальнодействующего эффектов. Для верификации разработанной параметрической модели выполнены расчеты пространственного распределения толщины модифицированного слоя hi (u, vi) в условиях, соответствующих эксперименту: - форма заготовок — сферическая; - диаметр сферы — 30 мм; - радиус вращения — 150 мм; - количество заготовок N — 4; - скорость вращения n — 5 м и н 1; - рабочее давление — 100 Па; - напряжение — 400 В; - ток — 280 мА; - рабочий газ — аргон; - катодное смещение — 50 мм; - длительность воздействия ts — 120 с; - среднеинтегральная температура заготовки — не превышает 80 °C. Выбор значений напряжения и тока обоснован типичными диапазонами работы тлеющего разряда в условиях давления 15-100 Па, при которых напряжение составляет 300-700 В, а ток может достигать 350 мА. Таким образом, используемые в эксперименте значения U = 4 0 0 В и / = 280мА находятся в пределах физически допустимых режимов, что подтверждает достоверность расчетной модели и корректность используемых параметров. Дополнительно, температура заготовок строго контролировалась и не превышала 80 °C, что соответствует данным по тепловой нагрузке на образцы при плазменной обработке в условиях тлеющего разряда даже при длительной экспозиции [9-11]. Для демонстрации пространственной структуры распределения толщины модифицированного слоя hi ( ui , vi ) выполнено численное моделирование по параметрической сетке на поверхности сферической заготовки диаметром 30мм . Расчеты учитывают пространственную зависимость плотности ионного флюенса, угловую корректировку внедрения, температурные эффекты и экранирование ионного потока. Визуализация распределения формируемого поля толщины модифицированного слоя представлена на рис. 4. Толщина модифицированного поверхностного слоя достигает максимума в центральной зоне, расположенной напротив анода, что обусловлено преимущественно нормальным падением ионов и отсутствием экранирующих объектов. В области периферии наблюдается закономерное снижение толщины, связанное с ростом угла падения ионов и частичным теневым эффектом от соседних участков. Кроме того, в распределении присутствуют локальные вариации, отражающие анизотропию геометрии и флуктуации условий ионно-плазменной обработки. Эти особенности подчеркивают необходимость использования параметрически управляемых моделей при прогнозировании качества обработки деталей сложной формы в результате проявления близко- и дальнодействующего эффектов. На рис. 5 приведена графическая зависимость корреляции между расчетными значениями толщины модифицированного поверхностного слоя, полученными в рамках разработанной параметрической модели, и экспериментальными данными, измеренными методами XPS и GD-0ES. Каждая точка на графической зависимости соответствует конкретной позиции на поверхности заготовки. Наличие плотной кластеризации точек вдоль диагонали y = x (пунктирная красная линия) свидетельствует о высоком соответствии модели реальному распределению толщины модифицированного слоя. Профили распределения толщины были сопоставлены с данными, полученными методами XPS (PHI QuanteraII) и GD -0ES (Spectruma GDA750). В качестве критерия сравнения использовались следующие метрики: 1) MAE (средняя абсолютная ошибка) — 10,4 нм; 2) MRE (относительная ошибка) — 3,96 %; 3) RMSErel (относительное среднеквадратичное отклонение) — 4,1 %; 4) коэффициент детерминации R 2 — 0,96.