CN110484841B - 一种gh4780合金锻件的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GH4780合金锻件的热处理方法,涉及合金制造的技术领域,其中,GH4780合金锻件的热处理方法,包括以下步骤:对GH4780合金锻件进行固溶热处理,所述固溶热处理的温度为1020~1170℃。经过热处理后的GH4780合金锻件不仅可以有效消除冶炼过程中Ti、Al、Cr等合金元素偏析,消除空洞等冶金缺陷,而且能够破碎柱状晶,促进动态再结晶,从而细化晶粒,提高合金锻件强度与塑性。
Description
技术领域
本发明涉及合金制造技术领域,尤其是涉及一种GH4780合金锻件的热处理方法,更具体地,涉及一种GH4780合金锻件的热处理方法、GH4780合金器件、燃气轮机喷嘴以及燃气轮机。
背景技术
GH4780合金为镍基高温合金,具有良好的高温力学性能及耐高温氧化性能,服役温度达到760℃,其铸件主要用于燃气轮机喷嘴材料。目前,国内外均利用铸造工艺制备GH4780合金铸件,铸造工艺制备的GH4780合金铸件极易产生元素偏析、空洞等冶金缺陷,制约了GH4780合金的使用。因此,需改用锻造工艺进行制备;然而,目前缺乏关于GH4780合金锻件热处理工艺的报道。
有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GH4780合金锻件的热处理方法,经过热处理后的GH4780合金锻件不仅可以有效消除冶炼过程中Ti、Al、Cr等合金元素偏析,消除空洞等冶金缺陷,而且能够破碎柱状晶,并促进动态再结晶完成,从而细化晶粒,提高合金锻件强度与塑性。
本发明提供的GH4780合金锻件的热处理方法,包括以下步骤:
对GH4780合金锻件进行固溶热处理,所述固溶热处理的温度为1020~1170℃。
进一步地,所述固溶热处理的温度为1040~1100℃;
优选地,所述固溶热处理的温度为1060~1090℃。
进一步地,所述固溶热处理的时间为0.5-1h;
优选地,所述固溶热处理的时间为0.8-1h。
进一步地,还包括对所述固溶热处理之后的GH4780合金锻件进行时效热处理的步骤,所述时效热处理的温度为770-820℃,优选为790-810℃。
进一步地,所述时效热处理的时间为0.5-8h,优选为5-8h。
进一步地,在所述固溶热处理之后且在所述时效热处理之前,还包括:对所述固溶热处理之后的GH4780合金锻件进行第一冷却的步骤;
优选地,所述第一冷却包括空冷、油冷和水冷中的至少一种;
优选地,在所述时效热处理之后,还包括:对GH4780合金锻件进行第二冷却的步骤;
优选地,所述第二冷却包括空冷、油冷和水冷中的至少一种。
进一步地,所述GH4780合金锻件是通过以下方法制备得到的:
利用两联或者三联工艺制备GH4780合金铸锭;
在900~1080℃条件下对所述GH4780合金铸锭进行棒材开坯与锻件锻造,得到所述GH4780合金锻件;
优选地,锻件锻造时棒材开坯后的GH4780合金铸锭的变形量为10-50%;
优选地,所述GH4780合金锻件中晶粒的平均粒度为ASTM5级至8级。
一种GH4780合金器件,所述GH4780合金器件是利用前面所述的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的;
优选地,所述GH4780合金器件中包括圆球形纳米γ’相;
优选地,基于所述GH4780合金器件的总质量,所述圆球形纳米γ’相的含量为30~35wt%;
优选地,所述圆球形纳米γ’相的粒径为30~70nm。
进一步地,所述GH4780合金器件包括燃气轮机的涡轮盘、燃气轮机的叶片、燃气轮机的机匣、燃气轮机中的环形件以及燃气轮机的喷嘴中的至少一种。
一种燃气轮机,包括前面所述的燃气轮机喷嘴;
优选地,所述燃气轮机包括航空发动机。
与现有技术相比,本发明至少可以取得以下有益效果:
固溶热处理可将析出相重溶回奥氏体中,形成过饱和固溶体,在后续时效热处理时,可以从合金固溶体中与晶界上析出γ’相及碳化物,从而实现对合金组织与性能调控。利用本发明的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后,不仅可以有效消除冶炼过程中Ti、Al、Cr等合金元素偏析,消除空洞等冶金缺陷,而且能够破碎柱状晶,促进动态再结晶,从而细化晶粒。通过后续热处理过程调控析出相尺寸与分布,提高合金锻件强度与塑性。
本发明的GH4780合金锻件中含有等轴奥氏体晶粒,其平均晶粒度达到ASTM5级或更细,提高合金锻件强度与塑性;而且,利用本发明的热处理方法得到的GH4780合金器件中含有圆球形纳米γ’相,例如γ’相尺寸可以为30~70nm,在高温变形过程中,圆球形纳米γ’相与奥氏体基体保持共格关系,可以有效阻碍位错运动,显著提高合金锻件的高温强度。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的一个方面,本发明提供了一种GH4780合金锻件的热处理方法,包括以下步骤:对GH4780合金锻件进行固溶热处理,所述固溶热处理的温度为1020~1170℃(例如可以为1020℃、1040℃、1060℃、1080℃、1100℃、1120℃、1140℃、1160℃或者1170℃等)。
固溶热处理可将析出相重溶回奥氏体中,形成过饱和固溶体,在后续时效热处理时,可以从合金固溶体中与晶界上析出γ’相及碳化物,从而实现对合金组织与性能调控。利用本发明的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后,不仅可以有效消除冶炼过程中Ti、Al、Cr等合金元素偏析,消除空洞等冶金缺陷,而且能够破碎柱状晶,促进动态再结晶,从而细化晶粒,提高合金锻件强度与塑性。相对于上述固溶热处理温度范围,当固溶热处理温度高于1170℃时,则合金锻件晶粒会显著长大从而降低热处理后的GH4780合金锻件的高温强度;当固溶热处理温度低于1020℃时,则会导致γ’相及碳化物不能完全回溶,进而影响后续时效热处理效果。
本发明的GH4780合金锻件不同于现有技术中的GH4780合金铸件,利用铸造工艺制备的GH4780合金铸件内部极易产生元素偏析、空洞等冶金缺陷,同时合金铸件中晶粒尺寸较大,降低合金铸件力学性能。
利用本发明的热处理工艺分别处理GH4780合金锻件与GH4780合金铸件,不同之处在于利用本发明的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后,不仅可以有效消除冶炼过程中Ti、Al、Cr等合金元素偏析,消除空洞等冶金缺陷,而且能够破碎柱状晶,促进动态再结晶,从而细化晶粒。通过后续热处理过程调控析出相尺寸与分布,提高合金锻件强度与塑性;而利用本发明的热处理工艺对GH4780合金铸件进行热处理后,GH4780合金铸件中析出相尺寸较大,呈方块形状,柱状晶尺寸较大。
需要说明的是,以质量百分比计,GH4780合金包括以下组分:锆:0.005%~0.07%,碳:0.06%~0.12%,铬:22%~23%,钼:≤0.2%,钨:1.8%~2.2%,钴:18.5%~19.5%,铁:≤0.7%,铌:0.65%~0.95%,铝:1.1%~1.4%,钛:2.1%~2.4%,磷:≤0.015%,硼:0.002%~0.007%,钽:0.85~1.15%,铜:≤0.1%,锰:≤0.1%,硅:≤0.15%,钒:≤0.1%,镁:≤0.007%,硫:≤0.007%,余量为镍。
在本发明的一些优选实施方式中,所述固溶热处理的温度为1040~1100℃;在本发明的一些更优选实施方式中,优选地,所述固溶热处理的温度为1060~1090℃。
在本发明的一些实施方式中,所述固溶热处理的时间为0.5-1h(例如可以为0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h或者1h等)。相对于上述固溶热处理的时间,当固溶热处理的时间过短时,则会导致γ’相及碳化物不能完全回溶,进而影响后续时效热处理效果,当固溶热处理的时间过长时,则会导致晶粒显著长大,降低热处理后的GH4780合金锻件的高温强度。
在本发明的一些优选实施方式中,所述固溶热处理的时间为0.8-1h。
在本发明的一些实施方式中,热处理方法还包括对所述固溶热处理之后的GH4780合金锻件进行时效热处理的步骤,所述时效热处理的温度为770-820℃(例如可以为770℃、780℃、790℃、800℃或者810℃等)。相对于上述温度范围,当时效热处理的温度过高时,则会导致γ’相及碳化物显著长大,降低热处理后的GH4780合金锻件的高温强度,当时效热处理的温度过低时,则会导致γ’相及碳化物数量较少,降低析出强化效果。
在本发明的一些优选实施方式中,所述时效热处理的温度为790-810℃。
在本发明的一些实施方式中,所述时效热处理的时间为0.5-8h(例如可以为0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h或者1h等)。相对于上述时效热处理的时间,当时效热处理的时间过短时,则会导致γ’相及碳化物数量较少,降低析出强化效果,当时效热处理的时间过长时,则会导致γ’相及碳化物显著长大,降低热处理后的GH4780合金锻件的高温强度。
在本发明的一些优选实施方式中,所述时效热处理的时间为5-8h。
在本发明的一些实施方式中,在所述固溶热处理之后且在所述时效热处理之前,还包括:对所述固溶热处理之后的GH4780合金锻件进行第一冷却的步骤;所述第一冷却包括空冷、油冷和水冷中的至少一种(例如,第一冷却可以包括空冷、油冷或者水冷,也可以包括空冷、油冷和水冷中的任意两种或者两种以上)。由此,冷却效果较佳。
在本发明的一些实施方式中,在所述时效热处理之后,还包括:对GH4780合金锻件进行第二冷却的步骤,所述第二冷却包括空冷、油冷和水冷中的至少一种(例如,第二冷却可以包括空冷、油冷或者水冷,也可以包括空冷、油冷和水冷中的任意两种或者两种以上)。由此,冷却效果较佳。
在本发明的一些实施方式中,所述GH4780合金锻件是通过以下方法制备得到的:利用两联工艺或者三联工艺制备GH4780合金铸锭;在900~1080℃(例如可以为900℃、950℃、1000℃或者1080℃等)条件下对所述GH4780合金铸锭进行棒材开坯与锻件锻造,得到所述GH4780合金锻件。由此,获得的GH4780合金锻件完成了再结晶,形成等轴奥氏体晶粒,该等轴奥氏体晶粒的平均粒度达到ASTM5级或更细。
需要说明的是,两联工艺(VIM+VAR)以及三联工艺(VIM+ESR+VAR)属于常规的工艺,在此不再过多赘述。
可以理解是,在锻件锻造时可以将GH4780合金锻造成需要的形状,例如燃气轮机的涡轮盘、叶片、机匣、环形件或者喷嘴的形状等,本领域技术人员可以根据实际需要进行灵活选择,在此不再过多赘述。
在本发明的一些实施方式中,锻件锻造时棒材开坯后的GH4780合金铸锭的变形量为10-50%(例如可以为10%、20%、30%、40%或者50%等)。
在本发明的一些实施方式中,所述GH4780合金锻件中晶粒的平均粒度为ASTM5级至ASTM8级(例如可以为ASTM5级、ASTM6级、ASTM7级或者ASTM8级等),使合金锻件获得较高的强度与塑性。
在本发明的另一方面,本发明提供了一种GH4780合金器件,所述GH4780合金器件是利用前面所述的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的。
需要说明的是,GH4780合金锻件与前面的描述一致,在此不再过多赘述。
在本发明的一些实施方式中,所述GH4780合金器件中包括圆球形纳米γ’相;在本发明的一些优选实施方式中,所述圆球形纳米γ’相的粒径为30~70nm(例如可以为30nm、40nm、50nm、60nm或者70nm等)。由此,在高温变形过程中,圆球形纳米γ’相与奥氏体基体保持共格关系,可以有效阻碍位错运动,显著提高合金锻件的高温强度。
需要说明的是,圆球形纳米γ’相的粒径指的是圆球形纳米γ’相中任意两点之间连线的最大距离。
在本发明的一些实施方式中,基于所述GH4780合金器件的总质量,所述圆球形纳米γ’相含量为30~35wt%(例如可以为30wt%、32wt%、34wt%或者35wt%等)。由此,可以使合金锻件获得更高的强度与塑性。
在本发明的一些实施方式中,所述GH4780合金器件包括燃气轮机的涡轮盘、燃气轮机的叶片、燃气轮机的机匣、燃气轮机中的环形件以及燃气轮机的喷嘴中的至少一种,例如GH4780合金器件可以包括燃气轮机的涡轮盘、燃气轮机的叶片、燃气轮机的机匣、燃气轮机中的环形件或者燃气轮机的喷嘴;也可以包括燃气轮机的涡轮盘、燃气轮机的叶片、燃气轮机的机匣、燃气轮机中的环形件以及燃气轮机的喷嘴中的任意两种或者两种以上。由此,应用场景较为广泛。
在本发明的另一方面,本发明提供了一种燃气轮机,燃气轮机该包括前面所述的GH4780合金器件。
需要说明的是,燃气轮机除了包括前面所述的GH4780合金器件之外,还包括燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气消声器或者排气消声器等常规结构,在此不再过多赘述。
在本发明的一些优选实施方式中,所述燃气轮机包括航空发动机。由此,可以将GH4780合金器件应用于航空发动机,以提高航空发动机的使用性能。
下面将结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例
需要说明的是,下述实施例和对比例中,涉及到的GH4780合金锻件是利用以下方法制备得到的:
利用三联(VIM+ESR+VAR)工艺冶炼GH4780合金铸锭,在1000℃进行对所述合金铸锭依次进行棒材开坯与锻件锻造,在锻件锻造过程中棒材开坯后的GH4780合金铸锭的变形量为30%。
GH4780合金包括以下以质量百分比计的原料:锆:0.017%,碳:0.086%,铬:22.51%,钼:0.039%,钨:2.07%,钴:18.72%,铁:<0.1%,铌:0.79%,铝:1.32%,钛:2.24%,磷:<0.005%,硼:0.0037%,钽:0.96%,铜:0.001%,锰:<0.005%,硅:0.026%,钒:<0.005%,镁:<0.001%,硫:0.0004%,余量为镍。
实施例1
GH4780合金锻件的热处理方法包括以下步骤:
1、对GH4780合金锻件进行固溶热处理,所述固溶热处理的温度为1080℃,固溶热处理的时间为1h,之后进行第一冷却,第一冷却的方式分别为空冷、油冷与水冷;
2、将步骤1得到的产品进行时效热处理,时效热处理的温度为800℃,时间为8h,之后进行空冷。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表1和表2所示:
表1
表2
实施例2
GH4780合金锻件的热处理方法包括以下步骤:
1、对GH4780合金锻件进行固溶热处理,所述固溶热处理的温度为1070℃,固溶热处理的时间为1h,之后进行空冷;
2、将步骤1得到的产品进行时效热处理,时效热处理的温度为800℃,时间为8h,之后进行空冷。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表3所示:
表3
实施例3
GH4780合金锻件的热处理方法包括以下步骤:
1、对GH4780合金锻件进行固溶热处理,所述固溶热处理的温度为1163℃,固溶热处理的时间为1h,之后进行空冷;
2、将步骤1得到的产品进行时效热处理,时效热处理的温度为800℃,时间为8h,之后进行空冷。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表4所示:
表4
实施例4
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于固溶热处理的时间为0.5h。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表5所示:
表5
实施例5
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于固溶热处理的时间为0.8h。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表6所示:
表6
实施例6
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于固溶热处理的时间为0.2h。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表7所示:
表7
实施例7
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于固溶热处理的时间为2h。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表8所示:
表8
实施例8
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于时效热处理的温度为770℃。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表9所示:
表9
实施例9
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于时效热处理的温度为820℃。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表10所示:
表10
实施例10
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于时效热处理的温度为750℃。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表11所示:
表11
实施例11
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于时效热处理的温度为850℃。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表12所示:
表12
实施例12
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于不进行时效热处理。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表13所示:
表13
实施例13
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例2,不同之处在于不进行时效热处理。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表14所示:
表14
实施例14
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例3,不同之处在于不进行时效热处理。
利用本实施例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表15所示:
表15
对比例1
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于固溶热处理的温度为2000℃。
利用本对比例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表16所示:
表16
对比例2
GH4780合金锻件的热处理方法同实施例1,不同之处在于固溶热处理的温度为1000℃。
利用本对比例的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表17所示:
表17
对比例3
利用铸造方法制备GH4780合金得到GH4780合金铸件,并利用与实施例1相同的热处理方法对GH4780合金铸件进行热处理;
其中,GH4780合金铸件的制备方法如下:在大型真空感应炉(型号ZG-5)中冶炼母合金,用失蜡精密造型法制造壳型,然后在小型真空感应炉(型号ZG-0.5)中重熔浇注成零件。
利用本对比例的热处理方法对GH4780合金铸件进行热处理之后得到的GH4780合金器件在室温下进行拉伸以及在760℃条件下进行拉伸时的力学性能分别如下表18所示:
表18
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种GH4780合金锻件的热处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
对GH4780合金锻件进行固溶热处理,所述固溶热处理的温度为1070~1080℃;所述固溶热处理的时间为0.5-1h;
还包括对所述固溶热处理之后的GH4780合金锻件进行时效热处理的步骤,所述时效热处理的温度为770-820℃,所述时效热处理的时间为0.5-8h;
在所述固溶热处理之后且在所述时效热处理之前,还包括:对所述固溶热处理之后的GH4780合金锻件进行第一冷却的步骤;所述第一冷却包括空冷、油冷和水冷中的至少一种;
在所述时效热处理之后,还包括:对GH4780合金锻件进行第二冷却的步骤;所述第二冷却包括空冷、油冷和水冷中的至少一种;
所述GH4780合金锻件是通过以下方法制备得到的:
利用两联或者三联工艺制备GH4780合金铸锭;
在900~1080℃条件下对所述GH4780合金铸锭进行棒材开坯与锻件锻造,得到所述GH4780合金锻件;锻件锻造时棒材开坯后的GH4780合金铸锭的变形量为10-50%;所述GH4780合金锻件中晶粒的平均粒度为ASTM5级至ASTM8级;
以质量百分比计,GH4780合金包括以下组分:锆:0.005%~0.07%,碳:0.06%~0.12%,铬:22%~23%,钼:≤0.2%,钨:1.8%~2.2%,钴:18.5%~19.5%,铁:≤0.7%,铌:0.65%~0.95%,铝:1.1%~1.4%,钛:2.1%~2.4%,磷:≤0.015%,硼:0.002%~0.007%,钽:0.85~1.15%,铜:≤0.1%,锰:≤0.1%,硅:≤0.15%,钒:≤0.1%,镁:≤0.007%,硫:≤0.007%,余量为镍。
2.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于,所述固溶热处理的时间为0.8-1h。
3.根据权利要求1或2所述的热处理方法,其特征在于,所述时效热处理的温度为790-810℃。
4.根据权利要求3所述的热处理方法,其特征在于,所述时效热处理的时间为5-8h。
5.一种GH4780合金器件,其特征在于,所述GH4780合金器件是利用权利要求1-4任一项所述的热处理方法对GH4780合金锻件进行热处理之后得到的;
所述GH4780合金器件中包括圆球形纳米γ’相;
基于所述GH4780合金器件的总质量,所述圆球形纳米γ’相的含量为30~35wt%;
所述圆球形纳米γ’相的粒径为30~70nm。
6.根据权利要求5所述的GH4780合金器件,其特征在于,所述GH4780合金器件包括燃气轮机的涡轮盘、燃气轮机的叶片、燃气轮机的机匣、燃气轮机中的环形件以及燃气轮机的喷嘴中的至少一种。
7.一种燃气轮机,其特征在于,包括权利要求5或6所述的GH4780合金器件。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机,其特征在于,所述燃气轮机包括航空发动机。
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