《Optics & Laser Technology》：Gas jet-assisted femtosecond laser curved surface marking process optimization for Ti
2AlNb high-temperature alloy
编辑推荐：
本研究提出气体喷射辅助飞秒激光曲面标记工艺，采用LSCM–ARAP耦合算法实现高精度标记（角度偏差≤0.5°，面积误差＜3%），通过RSM和ANN分析参数对标记深度及表面粗糙度的影响，验证了气体喷射技术有效去除熔渣并抑制重熔层，为高温合金部件标记提供工程化解决方案。
杨东卓|裴志明|郝静静|云夏伦|严金龙|何帅阳|梅学松|范正杰
西安交通大学机械工程学院，中国西安710049
摘要
为了解决在航空发动机涡轮叶片等复杂曲面上实现高精度标记的挑战，本研究创新性地提出了一种结合气体喷射的飞秒激光表面标记工艺。LSCM–ARAP耦合算法实现了图案的共形映射和自适应路径生成，将角度偏差控制在0.5°以内，面积比例误差控制在3%以下，有效抑制了几何变形。同时，RSM和ANN分析了脉冲能量、标记速度、重复频率和标记次数等参数对标记深度和表面粗糙度的影响。RSM模型的决定系数R2为0.99，而ANN的预测误差保持在8%以下。气体辅助技术有效去除了熔渣并抑制了再铸层的形成，为高温航空航天发动机部件的复杂表面提供了高精度、低损伤的标记解决方案。
引言
Ti?AlNb高温合金兼具高温度强度和优异的疲劳抗性，已成为航空发动机涡轮叶片等复杂曲面部件的关键候选材料[[1], [2], [3]]。随着数字化制造和全生命周期管理的进步，在这些复杂表面上实现高对比度、长期可读的标记对于支持部件信息集成和质量追溯至关重要[4], [5], [6], [7]。然而，Ti?AlNb的高硬度和低热导率使得传统标记工艺难以在不显著损坏表面的情况下获得稳定的标记质量[8], [9], [10], [11]。
现有的关于Ti?AlNb及类似高温合金的激光加工研究主要集中在涂层[12]、沉积[13]、焊接[14]、切割[15]和激光冲击强化[16]等工艺上，主要使用皮秒激光作为光源。相关研究表明，较长的脉冲宽度和较高的单脉冲能量会导致热影响区扩大、再铸层增厚以及熔融飞溅物的重新沉积，这对对边缘完整性和疲劳性能要求极高的叶片表面尤为不利[17], [18], [19]。相比之下，飞秒激光通过超短脉冲内的非线性吸收实现了近乎“冷加工”的效果，显著抑制了热扩散和熔化层的形成。它们在钻孔[20]、切割[21]和多种材料的微观结构制备[22], [23]方面展现了优势。然而，对于高温合金叶片复杂曲面的高质量标记，飞秒激光的应用仍局限于概念性研究，缺乏工程化的系统工艺和质量优化框架。除了光与材料的相互作用外，表面标记还面临两个常见挑战：首先，传统投影方法难以平衡共形性和面积误差，常常导致曲面上的二维代码出现几何变形[24], [25], [26], [27]；其次，激光烧蚀过程中产生的等离子体和熔融颗粒容易在局部流场中滞留并重新沉积，降低代码的可读性。最近出现的数据驱动方法，如RSM和ANN[28], [29], [30], [31], [32], [33]，已被应用于激光涂层[34]、激光光刻[35]和激光烧结[36]中，以模拟工艺参数与性能响应之间的非线性关系，为复杂表面标记的多参数优化提供了方法论参考（图1）。
基于此背景，本研究提出了一种针对Ti?AlNb涡轮叶片曲面标记要求的气体喷射辅助飞秒激光表面标记工艺。通过建立包括“纹理映射-激光标记-碎片清除-模型预测-工艺优化”的集成标记流程，该方法在Ti?AlNb合金表面上实现了标记图案的高精度再现，为高温合金部件复杂曲面的可追溯激光标记提供了工艺和方法论支持。
材料与加工系统
本研究使用正交晶系的Ti?AlNb高温合金进行测试。作为一种先进的航空发动机涡轮叶片代表材料，它具有较低的稳态蠕变率和优异的热稳定性[37]。其名义成分和主要物理性质详见表1和表2。
实验中使用的“5+3”轴飞秒激光自适应精密加工系统包括一个飞秒激光源和一个五轴CNC运动平台（三个直线轴）
形态演变分析
本研究创新性地采用了气体喷射辅助的飞秒激光标记技术对Ti?AlNb合金表面进行标记。通过控制关键参数变量，揭示了各参数对表面形态演变和材料去除机制的影响（图5）。研究结果表明，脉冲能量的增加使表面从规则的有序微观结构转变为无序的形态，并伴随团簇状的质量沉积。形态演变受到...
结论
为满足航空航天应用中对Ti?AlNb高温合金复杂表面进行精确标记的需求，本研究创新性地提出了一种气体喷射辅助的飞秒激光曲面标记工艺。系统地研究了工艺参数对标记深度和表面粗糙度的影响。基于微分几何理论，实现了标记图案的共形映射和自适应路径生成，有效抑制了几何变形
CRediT作者贡献声明
杨东卓：研究、数据分析、概念化。裴志明：撰写-审稿与编辑、撰写-初稿、可视化、验证、监督、软件开发、资源获取、项目管理、方法论研究、数据分析、概念化。郝静静：软件开发。云夏伦：资金获取。严金龙：软件开发。何帅阳：软件开发。梅学松：资金获取。范正杰：资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了以下资助项目的支持：国家自然科学基金（项目编号：52422512）；无锡市工业创新研究院资助的无锡市试点预研究项目（项目编号：XD23010）。
