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產(chǎn)品分類 更多>>

種類
α鈦合金
牌號
BT8,BT9,BT10
產(chǎn)地
俄羅斯
鈦含量
標(biāo)準(zhǔn)(%)
雜質(zhì)含量
0.01(%)
粒度
標(biāo)準(zhǔn)(目)

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鈦合金介紹

發(fā)展歷史

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性,相繼對其進行研究開發(fā),并得到了實際應(yīng)用。

第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好,而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金,該合金使用量已占全部鈦合金的75%85%。其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。

20世紀(jì)5060年代,主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金,70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金,80年代以來,耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400℃提高到90年代的600650℃。A2(Ti3Al)rTiAl)基合金的出現(xiàn),使鈦在發(fā)動機的使用部位正由發(fā)動機的冷端(風(fēng)扇和壓氣機)向發(fā)動機的熱端(渦輪)方向推進。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強、高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。

另外,20世紀(jì)70年代以來,還出現(xiàn)了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金,并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。

世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種,最著名的合金有2030種,如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32MoTi-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242Ti-10-5-3、Ti-1023BT9、BT20IMI829、IMI834等。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù),2012年我國化工行業(yè)用鈦量達2.5萬噸,比2011年有所減少。這是自2009年以來,我國化工用鈦市場首次出現(xiàn)負增長。近些年來,化工行業(yè)一直是鈦加工材最大的用戶,其用量在鈦材總用量的占比一直保持在50%以上,2011年占比高達55%。但隨著經(jīng)濟陷入低迷期,化工行業(yè)不但新建項目明顯減少,同時還將面臨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,部分產(chǎn)品新建產(chǎn)能受到控制,落后產(chǎn)能也將逐步淘汰的境地。受此影響,其對鈦加工材用量的萎縮也變得順理成章。在此之前,便有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測化工行業(yè)用鈦量在2013~2015年間達到峰值。以當(dāng)前市場表現(xiàn)看來,2012年整體經(jīng)濟的疲軟有可能使得化工用鈦的衰退期提前。

分類

鈦是同素異構(gòu)體,熔點為1668℃,在低于882℃時呈密排六方晶格結(jié)構(gòu),稱為α鈦;在882℃以上呈體心立方晶格結(jié)構(gòu),稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點,添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?,使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金(titanium alloys)。室溫下,鈦合金有三種基體組織,鈦合金也就分為以下三類:α合金,(α+β)合金和β合金。中國分別以TATC、TB表示。

α鈦合金

它是α相固溶體組成的單相合金,不論是在一般溫度下還是在較高的實際應(yīng)用溫度下,均是α相,組織穩(wěn)定,耐磨性高于純鈦,抗氧化能力強。在500℃~600℃的溫度下,仍保持其強度和抗蠕變性能,但不能進行熱處理強化,室溫強度不高。

β鈦合金

它是β相固溶體組成的單相合金,未熱處理即具有較高的強度,淬火、時效后合金得到進一步強化,室溫強度可達13721666 MPa;但熱穩(wěn)定性較差,不宜在高溫下使用。

α+β鈦合金

它是雙相合金,具有良好的綜合性能,組織穩(wěn)定性好,有良好的韌性、塑性和高溫變形性能,能較好地進行熱壓力加工,能進行淬火、時效使合金強化。熱處理后的強度約比退火狀態(tài)提高50%100%;高溫強度高,可在400℃~500℃的溫度下長期工作,其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。

三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金;α鈦合金的切削加工性最好,α+β鈦合金次之,β鈦合金最差。α鈦合金代號為TA,β鈦合金代號為TB,α+β鈦合金代號為TC。

鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強合金、耐蝕合金(鈦-鉬,鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。典型合金的成分和性能見表。

熱處理 鈦合金通過調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認(rèn)為細小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強度;針狀組織具有較高的持久強度、蠕變強度和斷裂韌性;等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。

性能

鈦是一種新型金屬,鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān),最純的碘化鈦雜質(zhì)含量不超過0.1%,但其強度低、塑性高。99.5%工業(yè)純鈦的性能為:密度ρ=4.5g/立方厘米,熔點為1725℃,導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/(m.K),抗拉強度σb=539MPa,伸長率δ=25%,斷面收縮率ψ=25%,彈性模量E=1.078×105MPa,硬度HB195。

強度高

鈦合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,僅為鋼的60%,純鈦的密度才接近普通鋼的密度,一些高強度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料,見表7-1,可制出單位強度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。飛機的發(fā)動機構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

熱強度高

使用溫度比鋁合金高幾百度,在中等溫度下仍能保持所要求的強度,可在450500℃的溫度下長期工作這兩類鈦合金在150℃~500℃范圍內(nèi)仍有很高的比強度,而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達500℃,鋁合金則在200℃以下。

抗蝕性好

鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作,其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼;對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強;對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。

低溫性能好

鈦合金在低溫和超低溫下,仍能保持其力學(xué)性能。低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,如TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。因此,鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。

化學(xué)活性大

鈦的化學(xué)活性大,與大氣中ON、HCO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2%時,會在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC;溫度較高時,與N作用也會形成TiN硬質(zhì)表層;在600℃以上時,鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層;氫含量上升,也會形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達0.10.15 mm,硬化程度為20%30%。鈦的化學(xué)親和性也大,易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。

導(dǎo)熱彈性小

鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/m.K)約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2,故其剛性差、易變形,不宜制作細長桿和薄壁件,切削時加工表面的回彈量很大,約為不銹鋼的23倍,造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損。

用途

鈦合金具有強度高而密度又小,機械性能好,韌性和抗蝕性能很好。另外,鈦合金的工藝性能差,切削加工困難,在熱加工中,非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差,生產(chǎn)工藝復(fù)雜。鈦的工業(yè)化生產(chǎn)是1948年開始的。航空工業(yè)發(fā)展的需要,使鈦工業(yè)以平均每年約 8%的增長速度發(fā)展。世界鈦合金加工材年產(chǎn)量已達4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦(TA1、TA2TA3)。

鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件,其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。60年代中期,鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用,用于制作電解工業(yè)的電極,發(fā)電站的冷凝器,石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。

中國于1956年開始鈦和鈦合金研究;60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料,比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間,但比鋁、鋼強度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加,達到飛機結(jié)構(gòu)重量的20%25%70年代起,民用機開始大量使用鈦合金,如波音747客機用鈦量達3640公斤以上。馬赫數(shù)大于 2.5的飛機用鈦主要是為了代替鋼,以減輕結(jié)構(gòu)重量。又如,美國SR-71 高空高速偵察機(飛行馬赫數(shù)為3,飛行高度26212),鈦占飛機結(jié)構(gòu)重量的93%,號稱“全鈦”飛機。當(dāng)航空發(fā)動機的推重比從46提高到810,壓氣機出口溫度相應(yīng)地從200300°C增加到500600°C時,原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金,或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片,以減輕結(jié)構(gòu)重量。70年代,鈦合金在航空發(fā)動機中的用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%30%,主要用于制造壓氣機部件,如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機 也都使用鈦合金板材焊接件。

鈦合金應(yīng)用存在的問題

鈦合金具有質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點,故被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)中,應(yīng)用鈦合金最多的是汽車發(fā)動機系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動機零件有很多好處。

鈦合金的密度低,可以降低運動零件的慣性質(zhì)量,同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動,減弱車身的振顫,提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及輸出功率。

減小運動零件的慣性質(zhì)量,從而使摩擦力減小,提高發(fā)動機的燃油效率。選擇鈦合金可以減輕相關(guān)零件的負載應(yīng)力,縮小零件的尺寸,從而使發(fā)動機及整車的質(zhì)量減輕。零部件慣性質(zhì)量的降低,使得振動和噪聲減弱,改善發(fā)動機的性能。 鈦合金在其他部件上的應(yīng)用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業(yè)上的應(yīng)用,鈦合金在節(jié)能降耗方面起到了不可估量的作用。

鈦合金零部件盡管具有如此優(yōu)越的性能,但距鈦及其合金普遍應(yīng)用在汽車工業(yè)中還有很大的距離,原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。

隨著近年來鈦合金近凈成形技術(shù)及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展,鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應(yīng)用的關(guān)鍵因素,阻礙鈦合金普遍應(yīng)用于汽車工業(yè)的最主要原因還是成本過高。

無論是金屬最初的冶煉還是后續(xù)的加工,鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬。汽車工業(yè)能夠接受的鈦制零件成本,用連桿鈦材813美元/kg,氣閥用鈦材1320美元/kg,彈簧、發(fā)動機排氣系統(tǒng)及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。而目前用鈦材料生產(chǎn)的零件成本比這些價格高了很多,鈦板材的生產(chǎn)成本大多數(shù)高于33美元/kg,是鋁板材的615倍,鋼板材的4583倍。

熱處理

常用的熱處理方法有退火、固溶和時效處理。退火是為了消除內(nèi)應(yīng)力、提高塑性和組織穩(wěn)定性,以獲得較好的綜合性能。通常α合金和(α+β)合金退火溫度選在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點以下120200℃;固溶和時效處理是從高溫區(qū)快冷,以得到馬氏體α′相和亞穩(wěn)定的β相,然后在中溫區(qū)保溫使這些亞穩(wěn)定相分解,得到α相或化合物等細小彌散的第二相質(zhì)點,達到使合金強化的目的。通常(α+β)合金的淬火在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點以下40100℃進行,亞穩(wěn)定β合金淬火在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點以上4080℃進行。時效處理溫度一般為450550℃。

總結(jié),鈦合金的熱處理工藝可以歸納為:

1)消除應(yīng)力退火:目的是為消除或減少加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。防止在一些腐蝕環(huán)境中的化學(xué)侵蝕和減少變形。

2)完全退火:目的是為了獲得好的韌性,改善加工性能,有利于再加工以及提高尺寸和組織的穩(wěn)定性。

3)固溶處理和時效:目的是為了提高其強度,α鈦合金和穩(wěn)定的β鈦合金不能進行強化熱處理,在生產(chǎn)中只進行退火。α+β鈦合金和含有少量α相的亞穩(wěn)β鈦合金可以通過固溶處理和時效使合金進一步強化。

此外,為了滿足工件的特殊要求,工業(yè)上還采用雙重退火、等溫退火、β熱處理、形變熱處理等金屬熱處理工藝。

新進展

各國都在開發(fā)低成本和高性能的新型鈦合金,努力使鈦合金進入具有巨大市場潛力的民用工業(yè)領(lǐng)域陽。國內(nèi)外鈦合金材料的研究新進展主要體現(xiàn)在以下幾方面。

高溫鈦合金

世界上第一個研制成功的高溫鈦合金是Ti-6Al-4V,使用溫度為300-350℃。隨后相繼研制出使用溫度達400℃的IMI550、BT3-1等合金,以及使用溫度為450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機發(fā)動機中的新型高溫鈦合金有.英國的IMI829、IMI834合金;美國的Ti-1100合金;俄羅斯的BT18YBT36合金等。表7為部分國家新型高溫鈦合金的最高使用溫度。

近幾年國外把采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)、纖維或顆粒增強復(fù)合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發(fā)展方向,使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上。美國麥道公司采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)成功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金,在760℃下其強度相當(dāng)于室溫下使用的鈦合金強度。

鈦鋁化合物

與一般鈦合金相比,鈦鋁化合物為基鈉Ti3Al(α2)和TiAl(γ)金屬間化合物的最大優(yōu)點是高溫性能好(最高使用溫度分別為816982℃)、抗氧化能力強、抗蠕變性能好和重量輕(密度僅為鎳基高溫合金的1/2),這些優(yōu)點使其成為未來航空發(fā)動機及飛機結(jié)構(gòu)件最具競爭力的材料。

已有兩個Ti3Al為基的鈦合金Ti-21Nb-14AlTi-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美國開始批量生產(chǎn)。其他發(fā)展的Ti3Al為基的鈦合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1MoTi-25Al-10Nb-3V-1Mo等。TiAl(γ)為基的鈦合金受關(guān)注的成分范圍為Ti-46-52Al-1-10Mat.%),此處Mv、CrMn、NbMn、MoW中的至少一種元素。TiAl3為基的鈦合金開始引起注意,如Ti-65Al-10Ni合金。

高強高韌β型

β型鈦合金最早是20世紀(jì)50年代中期由美國Crucible公司研制出的B120VCA合金(Ti-13v-11Cr-3Al)。β型鈦合金具有良好的冷熱加工性能,易鍛造,可軋制、焊接,可通過固溶-時效處理獲得較高的機械性能、良好的環(huán)境抗力及強度與斷裂韌性的很好配合。新型高強高韌β型鈦合金最具代表性的有以下幾種:

Ti1023Ti-10v-2Fe-#al),該合金與飛機結(jié)構(gòu)件中常用的30CrMnSiA高強度結(jié)構(gòu)鋼性能相當(dāng),具有優(yōu)異的鍛造性能;

Ti153Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn),該合金冷加工性能比工業(yè)純鈦還好,時效后的室溫抗拉強度可達1000MPa以上;

β21STi-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si),該合金是由美國鈦金屬公司Timet分部研制的一種新型抗氧化、超高強鈦合金,具有良好的抗氧化性能,冷熱加工性能優(yōu)良,可制成厚度為0.064mm的箔材;

日本鋼管公司(NKK)研制成功的SP-700Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)鈦合金,該合金強度高,超塑性延伸率高達2000%,且超塑成形溫度比Ti-6Al-4V140℃,可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-擴散連接(SPF/DB)技術(shù)制造各種航空航天構(gòu)件;

俄羅斯研制出的BT-22TI-5v-5Mo-1Cr-5Al),其抗拉強度可達1105MPA以上。

阻燃鈦合金

常規(guī)鈦合金在特定的條件下有燃烷的傾向,這在很大程度上限制了其應(yīng)用。針對這種情況,各國都展開了對阻燃鈦合金的研究并取得一定突破。美國研制出的Alloy c(也稱為Ti-1720),名義成分為50Ti-35v-15Cr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),是一種對持續(xù)燃燒不敏感的阻燃鈦合金,己用于F119發(fā)動機。BTT-1BTT-3為俄羅斯研制的阻燃鈦合金,均為Ti-Cu-Al系合金,具有相當(dāng)好的熱變形工藝性能,可用其制成復(fù)雜的零件。

醫(yī)用鈦合金

鈦無毒、質(zhì)輕、強度高且具有優(yōu)良的生物相容性,是非常理想的醫(yī)用金屬材料,可用作植入人體的植入物等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者會析出極微量的釩和鋁離子,降低了其細胞適應(yīng)性且有可能對人體造成危害,這一問題早已引起醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。美國早在20世紀(jì)80年代中期便開始研制無鋁、無釩、具有生物相容性的鈦合金,將其用于矯形術(shù)。日本、英國等也在該方面做了大量的研究工作,并取得一些新的進展。例如,日本已開發(fā)出一系列具有優(yōu)良生物相容性的α+β鈦合金,包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2PdTi-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2PdTi-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20,這些合金的腐蝕強度、疲勞強度和抗腐蝕性能均優(yōu)于Ti-6Al-4v ELI。與α+β鈦合金相比,β鈦合金具有更高的強度水平,以及更好的切口性能和韌性,更適于作為植入物植入人體。在美國,已有5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,即TMZFTMTI-12Mo-^Zr-2Fe)、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRxTI-15Mo-2.5Nb-0.2Si)、Tiadyne 1610Ti-16Nb-9.5Hf)和Ti-15Mo。估計在不久的將來,此類具有高強度、低彈性模量以及優(yōu)異成形性和抗腐蝕性能的廬鈦合金很有可能取代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金。

缺點

鈦及鈦合金主要限制是在高溫與其它材料的化學(xué)反應(yīng)性差。此性質(zhì)迫使鈦合金與一般傳統(tǒng)的精煉、熔融和鑄造技術(shù)不同,甚至經(jīng)常造成模具的損壞;結(jié)果,使的鈦合金的價格變的十分昂貴。因此它們剛開始大多用在飛機結(jié)構(gòu)、航空器,以及用在石油和化學(xué)工業(yè)等高科技工業(yè)。不過由于太空科技的發(fā)達、人民生活質(zhì)量的提升,所以鈦合金也漸漸地用來制成民生用品,造福人生的生活,只是這些產(chǎn)品價格仍然偏高,多屬于高價位的產(chǎn)品,這是鈦合金無法發(fā)揚光大的最大的致命傷。

主要特征

鈦合金主要特性;工業(yè)純鈦:工業(yè)純鈦的雜質(zhì)含量較化學(xué)純鈦要多,因此其強度、硬度也稍高,其力學(xué)性能及化學(xué)性能與不銹鋼相近,比起鈦合金純鈦強度較好,在抗氧化性方面優(yōu)于奧氏體不銹鋼,但耐熱性較差,TA1、TA2、TA3依次雜質(zhì)含量增高,機械強度、硬度依次增強,但塑性韌性依次下降。

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