在使用(yong)热处(chu)理(li)工(gong)艺以(yi)后(hou)，钛(tai)合金的组织(zhi)结构以及使用(yong)性(xing)能(neng)等都(dou)会发生(sheng)一定的变化，所以(yi)探究(jiu)热处(chu)理工(gong)艺(yi)对(dui)其性能及(ji)组(zu)织产(chan)生的(de)影(ying)响，不(bu)仅(jin)可以提高(gao)钛(tai)合金原(yuan)材料(liao)的使用(yong)性(xing)能(neng)，还(hai)能(neng)够(gou)通(tong)过对其(qi)原(yuan)理的探(tan)究(jiu)，使(shi)我国航空(kong)航(hang)天及(ji)军事方(fang)面(mian)具有更好(hao)的(de)发(fa)展。通(tong)过(guo)初步探究(jiu)可以表明(ming)，冷却的(de)速度可能(neng)会(hui)对钛(tai)合金(jin)组织的转变起(qi)到(dao)一(yi)定(ding)的(de)作用(yong)，并(bing)且速(su)度(du)越(yue)快(kuai)其(qi)转变的方式(shi)由原(yuan)子扩(kuo)散(san)为马(ma)氏体转(zhuan)变，主(zhu)导地(di)位越(yue)发明显。同(tong)时从(cong)微观角度进(jin)行(xing)分(fen)析，不同(tong)的热(re)处理(li)工(gong)艺(yi)也(ye)会对(dui)其(qi)组织结(jie)构以(yi)及使用(yong)的(de)性能(neng)产(chan)生一(yi)定(ding)的影响(xiang)。尤其(qi)是(shi)钛合金的(de)力(li)学(xue)性能方面(mian)，会(hui)随着热(re)处(chu)理工(gong)艺流程的(de)进行(xing)而(er)发(fa)生一(yi)定(ding)的(de)转(zhuan)变 [1]。
1 、热(re)处(chu)理(li)工(gong)艺对(dui)TC4钛(tai)合(he)金产(chan)生(sheng)的作(zuo)用概(gai)述
1.1 探究热处(chu)理工(gong)艺对(dui)钛(tai)合金(jin)组(zu)织(zhi)性能(neng)影响的(de)目的
目(mu)前探究(jiu)热(re)处(chu)理(li)工艺对 TC4 钛合(he)金组(zu)织及(ji)性(xing)能产(chan)生(sheng)的(de)影响(xiang)具(ju)有(you)非常重要的(de)意义，其(qi)目(mu)的主(zhu)要(yao)分为(wei)以下(xia)几(ji)种(zhong)，首(shou)先是因(yin)为(wei)现阶段(duan)钛合(he)金材(cai)料(liao)在我(wo)国航空(kong)航天领域(yu)以及(ji)军(jun)事(shi)领(ling)域(yu)中得到了(le)广泛(fan)的应用(yong)，所以(yi)探究(jiu)其(qi)结构(gou)的(de)变(bian)化(hua)以(yi)及使(shi)用(yong)性(xing)能的(de)变(bian)化，不(bu)仅可(ke)以(yi)提(ti)高航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)方面的科(ke)学(xue)技(ji)术水(shui)平，还(hai)能(neng)够(gou)为(wei)我(wo)国(guo)军(jun)事(shi)领域带来(lai)更(geng)多的可利(li)用数据。目(mu)前(qian)探究(jiu)热处(chu)理工(gong)艺(yi)对(dui)钛(tai)合金(jin)组(zu)织(zhi)的影(ying)响，主(zhu)要(yao)是为了通过(guo)表明钛(tai)合金组(zu)织(zhi)的(de)变(bian)化(hua)，对(dui)其(qi)他(ta)合金(jin)的使(shi)用(yong)性能产生的影(ying)响(xiang)，从而(er)明确(que)热处(chu)理(li)制(zhi)度(du)以(yi)及组织和(he)性能之(zhi)间(jian)的(de)一一对(dui)应(ying)关系(xi)。同时(shi)还(hai)研究(jiu)了，在(zai)热(re)处(chu)理过(guo)程中其(qi)实(shi)冷的时(shi)间，冷热的(de)循(xun)环(huan)流程以(yi)及(ji)不(bu)同(tong)热(re)处理操(cao)作流程以(yi)后(hou)，对 TC4 钛合(he)金(jin)的力学(xue)性(xing)能产(chan)生(sheng)的影响。进(jin)而(er)表明(ming)了(le)在(zai) TC4 钛合(he)金(jin)组织及(ji)性(xing)能方(fang)面产(chan)生(sheng)的微(wei)观 - 宏(hong)观 - 微观的对(dui)应关(guan)系。
1.2 钛合金(jin)的(de)基本(ben)性质概述(shu)
要(yao)想(xiang)明(ming)确(que)热(re)处理(li)工(gong)艺(yi)对 TC4 钛(tai)合(he)金产(chan)生的作用(yong)，首先要了(le)解(jie)钛(tai)合金(jin)的(de)基(ji)本性(xing)质，钛合金(jin)的特(te)点有以(yi)下几(ji)点(dian)，首(shou)先是其密度相(xiang)对(dui)较小，而且(qie)强度(du)高，钛(tai)元(yuan)素(su)的密度为(wei) 4.5g 每立(li)方(fang)厘(li)米(mi)左(zuo)右，亲密(mi)度大(da)小(xiao)是(shi)铜(tong)的 1/2，是(shi)钢(gang)元素(su)的 3/5，虽(sui)然(ran)钛元(yuan)素的密(mi)度(du)比铝(lv)合(he)金的密(mi)度要高(gao)，但(dan)是(shi)在(zai)强(qiang)度方面(mian)，钛(tai)合(he)金(jin)的强(qiang)度要(yao)远(yuan)高(gao)于铝(lv)合金(jin)的(de)强(qiang)度(du)，同时在(zai)常(chang)温的条件下，其(qi)抗拉(la)性(xing)能(neng)也(ye)相(xiang)对(dui)较(jiao)高。
其(qi)次(ci)是(shi)钛合金的硬(ying)度较高，硬(ying)度(du)达到(dao)了(le) HRC32~38，钛(tai)合金(jin)的弹性(xing)模量(liang)相对(dui)较(jiao)低，其弹(dan)性(xing)模量的数值(zhi)在(zai) 107~117GPa 之(zhi)间(jian)，弹性(xing)模(mo)量(liang)值(zhi)是(shi)钢(gang)或者不锈钢(gang)材(cai)料(liao)的(de) 1/2，并且易(yi)于弯(wan)曲，在某(mou)些特(te)定(ding)的(de)情况(kuang)下(xia)，可(ke)以通(tong)过钛(tai)合金弹性(xing)模(mo)量(liang)低(di)的(de)特点(dian)制成相应(ying)的弹(dan)性元(yuan)件，进(jin)而应用(yong)在航(hang)空(kong)航(hang)天和(he)军(jun)事领域中(zhong)，最(zui)后(hou)是(shi)钛(tai)合(he)金的(de)优良性(xing)能(neng)还(hai)体(ti)现(xian)在，在(zai)常(chang)温或(huo)者(zhe)高温的(de)条(tiao)件下(xia)力学(xue)性(xing)能(neng)更(geng)佳，铝合(he)金在(zai) 150℃的(de)条(tiao)件(jian)下(xia)会失(shi)去(qu)相(xiang)应(ying)的力(li)学(xue)性(xing)能，而(er)钢铁在 320℃的条件(jian)下会(hui)失(shi)去原(yuan)本(ben)具(ju)有(you)的(de)力(li)学(xue)性能，但是(shi)钛(tai)合(he)金能(neng)够(gou)保证(zheng)在(zai)500℃ ~600℃的条(tiao)件下仍(reng)然可(ke)以正常(chang)的(de)工作(zuo)，因(yin)此(ci)在航(hang)空(kong)航天(tian)领(ling)域的航空部件运行(xing)过程中，经(jing)常(chang)会使(shi)用钛(tai)合金(jin)在(zai)一(yi)些高(gao)温条(tiao)件下进行(xing)使(shi)用。同时在某些低(di)温(wen)的(de)条件下，钛合金也(ye)不会因(yin)为低(di)温(wen)现象出现(xian)冷(leng)却(que)问题(ti)，并(bing)且与常(chang)温条件相(xiang)比，在低温时(shi)钛(tai)合(he)金的(de)强度还(hai)会有所(suo)增(zeng)加(jia)，所(suo)以(yi)表(biao)明(ming)态合(he)金的(de)韧(ren)性比(bi)其(qi)他金属(shu)材料更加(jia)优(you)异。然(ran)后是(shi)在(zai)耐(nai)化(hua)学腐(fu)蚀(shi)方面(mian)太(tai)元素(su)，活(huo)泼(po)性相(xiang)对较高，因为(wei)其电(dian)化(hua)学平衡的电(dian)位较(jiao)低，所(suo)以在(zai)电化(hua)学(xue)腐蚀(shi)的相应条(tiao)件下(xia)极易出(chu)现(xian)腐(fu)蚀(shi)现(xian)象(xiang)，但(dan)是在温(wen)度(du)低于 550℃时，钛元素的表(biao)面会(hui)形成(cheng)相应(ying)的(de)氧(yang)化(hua)钛(tai)膜，进而能(neng)够防止很(hen)多(duo)酸性(xing)物(wu)质或者(zhe)强(qiang)碱(jian)性物质腐蚀(shi)氧(yang)化(hua)钛(tai)膜(mo)下的钛金属(shu)，即使(shi)某些部位的(de)氧(yang)化膜(mo)出(chu)现(xian)了(le)刮(gua)伤问题(ti)，钛(tai)元(yuan)素(su)也(ye)能够(gou)快(kuai)速(su)的(de)合成相(xiang)应(ying)的氧(yang)化钛(tai)膜(mo)，进(jin)而(er)达到自(zi)动(dong)愈(yu)合(he)的目(mu)的。在(zai)某(mou)些海水(shui)浸(jin)泡条(tiao)件(jian)下(xia)，因(yin)为其(qi)还有(you)很多活(huo)泼(po)性相对(dui)较强(qiang)的(de)氧(yang)化性(xing)物(wu)质，所以(yi)也体(ti)现(xian)了(le)钛(tai)合(he)金在(zai)潜(qian)水艇以(yi)及(ji)水上飞机(ji)的(de)制(zhi)造(zao)过(guo)程(cheng)中(zhong)具有较(jiao)大的优(you)势 [2-5]。
1.3 不(bu)同种类钛合金的(de)对(dui)比(bi)分(fen)析(xi)
目前在(zai)我(wo)国常(chang)用的(de)钛(tai)合金种(zhong)类相(xiang)对(dui)较多(duo)，因(yin)为(wei)钛(tai)及(ji)其(qi)合(he)金元(yuan)素(su)具有(you)较(jiao)多(duo)的优(you)势，所以目(mu)前(qian)在军(jun)事(shi)领域(yu)，机(ji)械(xie)设备领(ling)域以及航天航空(kong)领(ling)域(yu)，得到了(le)越(yue)来越(yue)广(guang)泛的(de)应用，钛元素及钛合金具(ju)有(you)现代金属(shu)以及(ji)太(tai)空金(jin)属的著(zhu)称(cheng)，因(yin)为(wei)钛及其(qi)他合金元素(su)在(zai)实(shi)际(ji)应用(yong)过程中(zhong)表现(xian)相对(dui)较(jiao)为优异(yi)，所以(yi)各个国(guo)家(jia)都(dou)认识(shi)到(dao)了钛合(he)金(jin)的(de)重要性，进而加大(da)了(le)对(dui)其的研究(jiu)。目前常见的(de)钛(tai)合金种(zhong)类有以(yi)下几(ji)种(zhong)，第(di) 1 种(zhong)为(wei) α 型(xing)钛合金，其主(zhu)要的核(he)心(xin)组(zu)成元素为铝(lv)、锡(xi)等合金元(yuan)素(su)，其(qi)主(zhu)要的优(you)点(dian)是在使用过(guo)程(cheng)中耐高(gao)温性能相(xiang)对(dui)较好(hao)，而且(qie)组(zu)织(zhi)的稳(wen)定性(xing)相对(dui)较高，并且(qie)具有较强的(de)耐(nai)腐(fu)蚀性(xing)，其(qi)缺(que)点是容易出现开(kai)裂问(wen)题，在(zai)常(chang)温(wen)条件下(xia)其(qi)塑性(xing)相对较(jiao)低(di)，所(suo)以在航空航(hang)天领域(yu)中(zhong)，某(mou)些(xie)受力(li)相(xiang)对较小(xiao)的板材或者管件(jian)，主要适(shi)用(yong) α 型(xing)钛(tai)合金(jin)作为结构(gou)材料(liao)。
然(ran)后是(shi)近(jin) α 型(xing)钛合(he)金(jin)材料，其(qi)主(zhu)要(yao)依靠(kao) α 稳定(ding)元(yuan)素进(jin)行(xing)固(gu)溶强化，并且添加了(le)少(shao)量的 β 稳定(ding)元素，这种(zhong)合金(jin)材料(liao)中被(bei)它的(de)含(han)量相(xiang)对较(jiao)少，所(suo)以(yi)即(ji)使(shi)出现了(le)空(kong)隙(xi)和(he)分(fen)解(jie)的现象，也不(bu)会使(shi)其(qi)力学(xue)性(xing)能(neng)发生显著的(de)恶(e)化问题。因此(ci)也表(biao)明了(le)近(jin)α型钛(tai)合金不(bu)仅(jin)具(ju)有(you) α 合(he)金中(zhong)焊接(jie)性(xing)相对较(jiao)高(gao)，稳(wen)定性(xing)相对(dui)较(jiao)强的特点(dian)，同(tong)时(shi)在高温(wen)情况(kuang)下还(hai)可(ke)以(yi)具(ju)有(you)更高的(de)瞬时强(qiang)度(du)，但(dan)是近(jin) α 型(xing)钛合(he)金的(de)主(zhu)要缺(que)点(dian)是(shi)不(bu)能(neng)对其(qi)进(jin)行(xing)强(qiang)化(hua)热(re)处理操(cao)作。
第(di) 3 种是(shi) α 加 β 钛合金(jin)，这(zhe)种钛(tai)合(he)金(jin)也(ye)叫(jiao)做双(shuang)相钛合金(jin)，双相钛(tai)合(he)金中(zhong)的贝塔元素(su)添(tian)加(jia)量在 5% 左右，当(dang)双(shuang)相钛(tai)合金(jin)中(zhong)的铝(lv)元(yuan)素的(de)含(han)量低(di)于 50%，β 相在(zai)某(mou)些(xie)特定(ding)的状态(tai)下(xia)将会(hui)达(da)到(dao)组(zu)织的20% 以(yi)上，因(yin)此表(biao)明了(le)这种钛(tai)合金(jin)在(zai)实际应(ying)用(yong)过程(cheng)中具有相(xiang)对(dui)较(jiao)好(hao)的(de)强(qiang)度(du)，并(bing)且其综合(he)的力(li)学性能(neng)也能够(gou)得到优化(hua)，而(er)且在(zai)热加(jia)工的过程中(zhong)，其性能优良(liang)，其(qi)主要(yao)的(de)缺点(dian)是(shi)稳(wen)定程(cheng)度(du)不够，组(zu)织的(de)稳定(ding)性相对(dui)较低。
第 4 种近 β 型(xing)钛合(he)金(jin)，这(zhe)种(zhong)钛(tai)合(he)金在实(shi)际应用(yong)的(de)过(guo)程中，合金化的(de)程(cheng)度(du)相(xiang)对(dui)较高，并(bing)且(qie)在固溶的(de)状(zhuang)态下(xia)，这(zhe)种(zhong)合金(jin)具(ju)有树(shu)形相对较高，而(er)且可(ke)焊性好(hao)的(de)特点，一(yi)直在某(mou)些室温条(tiao)件下，因(yin)为(wei)其强(qiang)度高，韧(ren)性(xing)好，得(de)到(dao)了(le)广(guang)泛(fan)的(de)应用。但(dan)是其(qi)耐热(re)性(xing)相(xiang)对(dui)较低，并(bing)且在(zai)冶(ye)金(jin)的过(guo)程(cheng)中(zhong)，合(he)金的组成成分(fen)过于复杂(za)。
2、 热(re)处理(li)工(gong)艺对(dui)钛(tai)合(he)金(jin)组(zu)织(zhi)及性(xing)能的影(ying)响(xiang)分析(xi)
2.1 热(re)处理(li)工(gong)艺(yi)对钛合(he)金(jin)组织和(he)性(xing)能的影响
当(dang)前在(zai)针对(dui)钛合金组(zu)织(zhi)和(he)性(xing)能进(jin)行(xing)影(ying)响(xiang)分析的过(guo)程中，首先(xian)要明(ming)确热(re)处理的特点(dian)，热处理(li)主要(yao)是(shi)依(yi)赖淬(cui)火时(shi)，双相(xiang)的钛合(he)金(jin)能够形成亚(ya)稳(wen)相的分解(jie)操(cao)作(zuo)，进(jin)而(er)保证钛(tai)合金中的(de)马氏体相(xiang)变时不会出现(xian)较为明(ming)显(xian)的强(qiang)化问(wen)题(ti)，同(tong)时钛合(he)金(jin)还会(hui)出(chu)现(xian)同素异构(gou)的(de)转变(bian)，进而很(hen)难起到(dao)细(xi)化(hua)钛合金的作(zuo)用，因(yin)为钛合(he)金(jin)的(de)导热(re)性能(neng)相对(dui)较差，所以如果出现(xian)了局部(bu)变(bian)形(xing)或(huo)者温度(du)升高的问题将(jiang)会形(xing)成魏氏(shi)组织(zhi)，进而(er)导致(zhi)整个钛合(he)金材料(liao)的导热(re)性(xing)能降低，尤(you)其是(shi)在针对(dui)一(yi)些 α 加 β 型(xing)钛(tai)合(he)金(jin)进(jin)行(xing)热(re)处(chu)理的过(guo)程中(zhong)，因为(wei)其(qi)淬(cui)火(huo)的(de)热应力(li)相(xiang)对(dui)较大，所以(yi)极易导(dao)致钛(tai)合金零(ling)件(jian)出(chu)现(xian)弯曲(qu)问(wen)题。因为(wei)钛(tai)元(yuan)素(su)及钛(tai)合(he)金(jin)物质的化(hua)学(xue)性质相对较(jiao)为活泼(po)，并且(qie)极(ji)易(yi)出现(xian)析氢反(fan)应(ying)，引(yin)起(qi)氢(qing)脆(cui)问(wen)题(ti)，所(suo)以(yi)在(zai)使用(yong)加热炉(lu)对钛合(he)金物(wu)质(zhi)进(jin)行(xing)加(jia)热(re)的(de)过程中，必(bi)须要对(dui)其(qi)气(qi)氛(fen)进(jin)行(xing)严(yan)格的控(kong)制(zhi)，并(bing)且(qie)钛(tai)元素及钛合金(jin)物(wu)质(zhi)还容易(yi)和(he)水蒸(zheng)气(qi)和氧(yang)元素(su)发(fa)生(sheng)相应的化(hua)学反应(ying)，进而在钛合(he)金的表面出(chu)现(xian)致(zhi)密的(de)氧化层，影(ying)响整个(ge)钛合金(jin)的(de)使(shi)用(yong)性能(neng)，所(suo)以，在(zai)针(zhen)对其进(jin)行(xing)热处理的过(guo)程中应该(gai)明(ming)确氧化层(ceng)的(de)影响作用(yong)。钛合金(jin)的(de)相变温度，会(hui)受(shou)到(dao)熔(rong)炼条(tiao)件以(yi)及(ji)熔(rong)炼(lian)参(can)数的影(ying)响，例如(ru)加(jia)热(re)炉中的(de)真空程度，熔(rong)炼(lian)的(de)次(ci)数(shu)以及含(han)有的(de)杂(za)质含(han)量(liang)等(deng)，都(dou)会对钛(tai)合(he)金(jin)的(de)相变温(wen)度产(chan)生(sheng)一(yi)定的(de)影(ying)响(xiang)，尤(you)其(qi)是(shi)当钛(tai)合(he)金物质(zhi)在(zai) β 型(xing)进行(xing)加(jia)热的(de)过(guo)程中(zhong)，β 型(xing)钛合金(jin)的长大(da)倾向相(xiang)对(dui)较大(da)，进而(er)导致 β 型钛(tai)合(he)金(jin)出现粗(cu)化问(wen)题，使其塑(su)性(xing)性能下降(jiang)，所以(yi)此(ci)时应(ying)该(gai)对其(qi)加热温度(du)以(yi)及保温(wen)的时(shi)间(jian)等进(jin)行严(yan)格的控(kong)制(zhi)，防止在(zai) β 型进行热处理(li)工(gong)艺(yi)时(shi)，影(ying)响(xiang)晶粒的(de)塑(su)性(xing)及(ji)其它使用性(xing)能(neng)。
2.2 实(shi)验探(tan)究流(liu)程分(fen)析(xi)
为(wei)了明(ming)确对(dui)其(qi)性(xing)能(neng)及(ji)组(zu)织(zhi)结构的影响，首先需(xu)要进(jin)行相(xiang)应的(de)实(shi)验流(liu)程(cheng)，先将(jiang)需(xu)要实(shi)验的试(shi)样(yang)放(fang)入到温(wen)度为(wei) 955℃的(de)热处理(li)，气(qi)氛(fen)炉中进行(xing)固(gu)溶(rong)操作，在(zai)完(wan)成(cheng)固(gu)溶一(yi)个小时(shi)以(yi)后，进行炉(lu)冷(leng)操(cao)作(zuo)，空冷(leng)操作以及水(shui)冷(leng)操(cao)作(zuo)，然(ran)后保证(zheng)其在 560℃左(zuo)右(you)进行(xing)保温(wen)操作 6 小时(shi)并且(qie)利(li)用(yong)显微镜对(dui)试样(yang)进(jin)行其组(zu)织的(de)检测，并且(qie)明(ming)确(que)其(qi)微观(guan)组(zu)织形(xing)态(tai)，然后(hou)利用万(wan)能(neng)的(de)试验机对(dui)试样(yang)的(de)力学性(xing)能(neng)进(jin)行各方面的(de)检(jian)测，通过(guo)研(yan)究(jiu)固(gu)溶以后其冷(leng)却(que)速(su)度(du)变(bian)化(hua)的影响，探究其对(dui)微(wei)观组(zu)织的影(ying)响(xiang)，条件及(ji)影响(xiang)流(liu)程(cheng)。然(ran)后再(zai)针(zhen)对(dui)微观(guan)组(zu)织(zhi)的变(bian)化情况(kuang)，对其力(li)学(xue)性能的(de)影(ying)响(xiang)进(jin)行(xing)探(tan)究，进(jin)而建(jian)立起(qi)相应(ying)的对(dui)应(ying)关(guan)系(xi)，利用(yong)相似的(de)方(fang)法保(bao)证(zheng)试验(yan)能够(gou)在(zai)不(bu)同(tong)温(wen)度下进(jin)行固溶操(cao)作(zuo)，然后通(tong)过(guo)采取不(bu)同(tong)的固(gu)溶温度，对(dui)试样的微观(guan)组织以及力(li)学性能影响进(jin)行相应的(de)数据(ju)分(fen)析(xi)。然(ran)后(hou)，在保(bao)证在(zai)同(tong)一(yi)物种温度的(de)条(tiao)件下，对(dui)其进行(xing)保(bao)温操(cao)作保温(wen)的(de)时(shi)间(jian)分(fen)别控(kong)制为 4个小(xiao)时，6 个小(xiao)时(shi)，8 个小(xiao)时以(yi)及 12 个小(xiao)时后(hou)再进(jin)行(xing)空气(qi)冷却操作(zuo)，然后观(guan)察(cha)不同(tong)保(bao)温(wen)时间长短下(xia)，对试(shi)样微(wei)观(guan)组织(zhi)结(jie)构(gou)的(de)影(ying)响(xiang)以及(ji)力学(xue)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)响(xiang)，并(bing)且(qie)每(mei)种不同条(tiao)件下(xia)的实验要(yao)做(zuo)三次(ci)，取(qu)三(san)次平(ping)行试(shi)样(yang)的(de)平均值作为(wei)相应的(de)结果(guo)进行(xing)对(dui)比分(fen)析。
3、 结(jie)束(shu)语
综(zong)上(shang)所(suo)述(shu)，现阶(jie)段使(shi)用(yong)热(re)处理(li)工(gong)艺对(dui) TC4 钛(tai)合金组(zu)织及性(xing)能会产生一定的影(ying)响，因为(wei)钛(tai)合金的应用越发广泛(fan)，所以探(tan)究其(qi)具(ju)体的影(ying)响情(qing)况(kuang)具(ju)有非(fei)常重(zhong)要的意(yi)义。
参(can)考(kao)文(wen)献
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