FR2652611A1 - Disque de turbine constitue de deux alliages. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un disque de turbine constitué de deux alliages comprenant une couronne (1) dont l'alliage présente une limite à la rupture par fluage élevé, une résistance au fluage élevée, ainsi qu'une bonne résistance à la propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée, ainsi qu'un moyeu (2) dont l'alliage présente une limite élastique en traction élevée et une bonne résistance à la propagation de fissure par fatigue sous faible nombre de cycles. Le disque constitué de deux alliages est conçu pour être utilisé en tant que disque présent dans des moteurs à turbine à gaz fonctionnant à des températures élevées de l'ordre de 820degré C. Le moyeu et la couronne sont joints l'un à l'autre au niveau d'un joint (4) sensiblement exempt de défaut afin de constituer un disque de turbine présentant des propriétés améliorées à la fois dans la région formant moyeu et dans la région formant couronne.
Description
La présente invention concerne de façon générale des disques du type
utilisés dans des moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement des disques réalisés en deux alliages pour des moteurs à turbine à gaz. De tels disques sont réalisés à partir de deux parties séparées, chaque partie étant constituée d'un alliage différent. Les parties sont ensuite jointes ensemble
pour former un article monobloc ou d'une seule pièces.
Dans les moteurs à turbine à gaz, des disques qui supportent les aubes de turbine tournent à des vitesses
élevées et sont soumis à un environnement de tempé-
rature élevée. Ces disques de turbine sont soumis à des conditions de fonctionnement différentes en fonction de la localisation radiale, depuis le centre du disque ou partie formant moyeu, jusqu'à l'extérieur du disque ou partie formant couronne. Les aubes de turbine sont exposées à des gaz de combustion à haute température qui font tourner la turbine. Les aubes de turbine communiquent leur chaleur à la partie extérieure du disque. Cela provoque une température plus élevée que celle régnant dans le moyeu ou la partie centrale présentant un alésage. Les conditions de contraintes mécaniques varient également au niveau du disque, radialement. Jusqu'à récemment, il a été possible de concevoir des disques formés d'un seul alliage pouvant satisfaire les conditions de variation de contrainte et de
variation de température au travers du disque.
Cependant, la nécessité dans les turbines à gaz
modernes d'augmenter le rendement du moteur et d'amé-
liorer les performances du moteur impose maintenant l'utilisation de températures de fonctionnement plus élevée. Cela a pour résultat que les disques de turbine présents dans ces moteurs avancés sont exposés à des températures plus élevées que celles régnant dans les
moteurs précédents, ce qui impose l'utilisation d'al-
liages plus performants, pour les disques. Les températures régnant dans la partie extérieure, ou couronne, peuvent atteindre 820 C, tandis que les températures régnant dans la partie centrale, ou moyeu, sont typiquement plus basses, par exemple de l'ordre de
540 C.
En plus du fait qu'il se produit un gradient de température dans la direction radiale, il se produit également, dans un disque typique, un gradient de contraintes, des contraintes plus élevées apparaissant dans la région de moyeu soumise à une température plus faible, et des contraintes moins élevées apparaissant dans la région de couronne soumise à une température plus élevée. Ces différences dans les conditions de fonctionnement selon la localisation radiale de la zone du disque nécessitent que ce disque présente des propriétés mécaniques différentes dans différentes régions du disque, la partie formant couronne étant soumise à des conditions sévères en matière de résistance au fluage et de résistance à la propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée, et la partie formant moyeu étant soumise à des conditions sévères de contrainte élevée et de fatigue. Afin d'obtenir des conditions de fonctionnement maximum en termes de rendement et de performance d'un moteur à turbine de technologie avancée, il est souhaitable d'utiliser pour le disque des alliages présentant une excellente résistance à la propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée et au fluage sous haute température dans la partie du disque formant couronne, et présentant une résistance à la traction élevée et une résistance à la propagation de fissure par fatigue pour des températures modérées dans la
partie du disque formant moyeu.
Diverses solutions ont été proposées pour obtenir
un disque capable de concilier ces différentes pro-
priétés mécaniques exigées, que l'on rencontre dans des disques de turbine de moteurs à turbine avancés, soumis à des températures allant jusqu'à 820 C. Une solution pour concilier ces températures de fonctionnement très hautes nécessaires dans ces moteurs avancés, qui ont un rendement plus élevé et qui sont plus puissants, consiste à augmenter le poids du disque réalisé dans un alliage présentant une stabilité suffisante pour des températures élevées, afin de réduire les niveaux de contrainte. Cette solution n'est pas satisfaisante pour
l'aéronautique du fait qu'elle implique un accrois-
sement de poids non souhaitable du système, ce qui annule les avantages d'augmentation de puissance et de rendement. Une autre approche à consisté à réaliser un disque en un seul alliage dont différentes parties présentent des propriétés différentes. Le brevet US n 4 608 094 publié le 26 août 1986 propose un procédé pour produire un tel disque de turbine. Le disque est réalisé à partir d'un seul alliage qui a été obtenu différemment dans différentes régions pour procurer des propriétés mécaniques différentes. Un tel disque est, cependant, sujet aux limitations résultant du seul alliage employé. Dans une variante, un disque réalisé
en un seul alliage peut présenter des parties diffé-
rentes soumises à un traitement thermique à des températures différentes, ou aux mêmes températures mais selon des temps différents. Un tel traitement thermique différentiel produira un disque présentant des propriétés mécaniques différentes dans des parties différentes. Cependant, le disque est toujours soumis aux limitations mentionnées précédemment relatives à
l'usage d'un seul alliage.
Le brevet US n 3 940 268 publié le 24 février 1976 propose une solution pour des assemblages d'aubes et de disque de turbine. Il décrit un disque réalisé à partir d'une poudre métallique relié à une pluralité d'éléments formant aubes dirigés radialement vers
l'extérieur disposés dans un moule et reliés métal-
lurgiquement au cours de la formation par pression
isostatique à chaud de l'élément formant disque.
Puisque les aubes peuvent être reliées au disque réalisé dans un matériau différent, du fait du procédé proposé dans le brevet 3 940 268, les structures de rotor et de turbine, réalisées ainsi de façon hybride ou composite selon de tels procédés, manquent de précision et de contrôle dimensionnel entre les composants formant aubes adjacents. Un tel contrôle est nécessaire pour maintenir l'écoulement de gaz désiré au travers des passages adjacents aux aubes reliées au disque. Cette solution ne permet cependant pas d'effectuer une jonction de parties séparées d'un disque. Une autre approche peut être utilisée pour un disque constitué de deux alliages dans lequel des alliages différents sont utilisés dans différentes parties du disque, en fonction des propriétés souhaitées. Le disque présente une région de joint dans laquelle les alliages différents sont joints ensemble, afin de former un article en une seule pièce. Divers procédés de fabrication de disques constitués de deux alliages ont été suggérés ou testés. Les techniques connues jusqu'à ce jour pour fabriquer des disques constitués de deux alliages ont été toutes limitées du fait de problèmes spéciaux qui étaient relatifs à la configuration, au coût ou à la composition des alliages. Comme cela est employé ici, le terme "joint" signifie un joint métallurgique dans lequel les éléments qui sont joints sont mis ensemble par fusion de leurs métaux ou d'un autre métal, comme dans le cas d'une diffusion de brasure ou d'une diffusion de soudure, à l'opposé d'un joint mécanique dans lequel les éléments joints sont maintenus en contact par des
moyens mécaniques tels que des boulons ou des rivets.
Le joint et la région de métal altéré adjacente à
celui-ci sont appelés par la suite région de joint.
Le concept de formation d'une partie formant couronne d'un disque avec un grain grossier et d'une partie centrale d'un disque avec un grain fin est divulgué dans le rapport de la NASA n CR-165224 intitulé "Development of Materials and Process Technology for Dual Alloy Disks". Ce rapport indique que la partie formant couronne d'un disque est formée à partir d'un métal en poudre par un pressage isostatique à chaud du métal en poudre. La partie formant moyeu du disque est alors remplie avec la poudre de métal et est enfermée dans un conteneur. La partie formant couronne enfermée et le métal en poudre sont alors soumis à une opération de compression isostatique à chaud pour produire un disque de turbine constitué de deux alliages. L'inconvénient de la compression isostatique à chaud est que n'importe quelle impureté présente dans le joint avant la compression isostatique à chaud restera dans celui-ci. Dans un procédé analogue à la compression isostatique à chaud, deux parties forgées sont jointes ensemble par une opération de compression isostatique à chaud. Cette technique nécessite une enceinte étanche au gaz, telle qu'un réservoir séparé, ou une soudure ou une brasure mise en place autour des bords exposés des régions de joints. Dans une autre variante du procédé de compression isostatique à chaud, une bague annulaire de poudre est placée entre deux éléments forgés, et l'ensemble est soumis à une
compression isostatique à chaud.
Le soudage par fusion a aussi été suggéré, mais les superalliages à base de nickel du type utilisé dans
les disques sont difficiles à souder par ce procédé.
Le soudage par énergie cynétique est une autre solution possible. Cependant, en utilisant des alliages très différents, il peut se produire un écoulement anormal, un nettoyage inadéquat du joint et une amorce
de fusion inadéquate dans la zone chauffée.
Une autre technique pour lier des parties réalisées dans des alliages différents consiste à effectuer une liaison par diffusion, comme cela est utilisé pour des alliages à base de nickel. Cependant, ce prodédé est considéré couramment comme insuffisamment fiable pour produire des disques
constitués de deux alliages.
Un autre procédé consiste à effectuer un double moulage ou un moulage d'une partie d'un article, telle qu'une couronne, directement sur une autre partie, telle qu'un moyeu, usinée ou forgée. Ce procédé
provoque un joint qui n'est pas satisfaisant mécani-
quement et qui est différent d'un joint métallurgique.
D'autre part, le fait que l'une des parties de l'article soit nécessairement fondue a pour conséquence qu'au moins cette partie présente tous les défauts résultant d'une fusion, tels que des défauts d'inhomogénéité, un retrait, des inclusions et une certaine porosité. La présence de tels défauts est inacceptable pour des éléments tournant à grande vitesse. Des lingots réalisés par co-extrusion et co- forgeage, dans lesquels un coeur est réalisé à partir d'un alliage et une partie externe est réalisée à partir d'un autre alliage, ont été fabriqués avec une
difficulté relativement faible. Cependant, une impor-
tante recherche complémentaire reste nécessaire pour développer les procédures de forgeage afin de contrôler la localisation et la forme précises de l'interface
entre les parties jointes.
Le soudage par explosion a été utilisé pour effectuer des combinaisons par soudage d'alliages différents. On a trouvé que ce procédé était utile pour plaquer un alliage sur la surface d'un autre. Un tel procédé est cependant inutilisable présentement pour effectuer un joint entre les deux alliages d'un disque, du fait que la configuration de la région de joint d'un tel disque n'est pas adaptée pour permettre l'introduction de l'énergie explosive nécessaire pour
effectuer la liaison d'un moyeu sur une couronne.
Un objet de la présente invention est de prévoir un article réalisé par jonction de parties séparées, telles qu'une partie formant moyeu séparée réalisée en un matériau présentant une résistance à la rupture par traction et une résistance maximum à la propagation de fissure par fatigue sous faible nombre de cycles (que l'on appelera par la suite fatigue sous faible cycle), afin d'assurer au disque de turbine une durée de vie longue, et une partie formant couronne séparée réalisée en un matériau présentant une résistance au fluage à température élevée et une résistance à la rupture par fluage excellentes, ainsi qu'une résistance à la propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée supérieure, afin de constituer un disque de turbine en une seule pièce présentant une région de
joint sensiblement exempte de défaut.
Un autre objet de la présente invention est de fournir un disque de turbine présentant une partie formant moyeu réalisée à partir d'une composition de superalliage jointe à une partie formant couronne réalisée à partir d'une composition de superalliage différente. Un autre objet de la présente invention est de fournir un article métallique composé d'alliages différents dans lequel les propriétés mécaniques d'une partie de l'article sont différentes de celles d'une
autre partie de l'article.
Un autre objet de la présente invention est de fournir un article métallique composé d'un superalliage joint à une autre partie composée d'un superalliage différent, la région de joint étant sensiblement
exempte de défaut.
Un autre objet de la présente invention est de fournir un disque de turbine à gaz présentant des propriétés de résistance à la traction et de résistance à la propagation de fissures par fatigue sous faible cycle améliorées, dans sa partie formant moyeu, des propriétés de résistance à la propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée, de fluage et de résistance à la rupture sous contrainte améliorées,
dans sa partie formant couronne.
Un autre objet de la présente invention est de fournir un disque constitué de deux alliages présentant un joint métallurgique entre un moyeu réalisé dans un premier alliage, et une couronne réalisée dans un second alliage sensiblement tous les contaminants et les défauts ayant été enlevés de la région d'interface du fait de la déformation locale étendue dans cette région, associée à l'expulsion de matériau susceptible de contenir des défauts jusque dans des cavités formées
dans des matrices configurées de façon spéciale.
Selon la présente invention, un article en une seule pièce réalisée à partir d'au moins deux parties différentes présentant des propriétés mécaniques différentes est proposé. Les parties différentes sont préformées de façon que les surfaces adjacentes de parties pouvant venir en jonction se conforment de façon approximative l'une à l'autre. Les parties sont placées dans une matrice fermée spéciale et sont
jointes ensemble et soumises à leur gamme de tempé-
ratures provoquant une déformation plastique, en utilisant une technique de formation de joint qui provoque l'expulsion de matériau susceptible de contenir des défauts depuis la région de joint, produisant ainsi un article constitué de deux alliages se présentant sous forme d'une seule pièce qui présente des propriétés différentes dans des parties différentes, et qui présente aussi une région de joint
sensiblement exempte de défaut.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, un disque de turbine comprenant deux parties réalisées à partir d'alliages différents est
prévu. L'une des parties constitue une couronne réali-
sée à partir d'un alliage présentant une bonne résistance à la propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée, une résistance à la rupture sous contrainte et une résistance au fluage élevées. Une seconde partie, constituant un moyeu ou une pièce comprenant un alésage, est réalisée à partir d'un alliage présentant une résistance à la rupture par traction élevée et une bonne résistance à la formation de fissure par fatigue sous faible cycle. Le moyeu et la couronne sont préformés de façon que leurs surfaces adjacentes en contact, ou surfaces d'interface, se conforment de façon approximative l'une à l'autre. Le moyeu et la couronne sont alors joint métallurgiquement ensemble par une technique spéciale de formation du joint. Tandis que le moyeu et la couronne sont soumis au moins à la température minimum entrant dans leur gamme de températures de déformation plastique, ils sont amenés ensemble dans une matrice fermée. La matrice fermée entoure complètement les parties qui doivent être jointes, à l'exception d'une cavité ménagée dans la matrice et qui est située de façon adjacente à la région de joint dans laquelle les
surfaces qui se conforment approximativement se rencon-
trent. Sous l'effet de l'application de forces de forgeage, le moyeu et la couronne sont joints ensemble au niveau d'une région de joint, tandis que du matériau susceptible de contenir des défauts provenant de la région de joint est expulsé jusque dans la cavité de la matrice de façon que la région de joint soit sensiblement exempte de défaut. Dans la présente
description, le terme "surfaces qui se conforment
approximativement" se rapporte à de telles surfaces respectives des parties qui doivent être jointes et qui sont conçues et préparées de façon spécifique de façon à favoriser l'expulsion de matériau susceptible de contenir des défauts depuis la région de joint, sous
l'effet de l'application de forces de forgeage.
Le terme "nickel essentiellement équilibré" est utilisé pour comprendre, en plus du nickel dans l'équilibre de l'alliage, des petites quantités
d'impuretés et des éléments introduits accidentel-
lement, qui, du point de vue de leur influence et/ou de leur quantité, n'altèrent pas les caractéristiques
avantageuses de l'alliage.
Ces objets, caractéristiques ou avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront mieux
compris lors de la description détaillée qui va suivre,
prise en relation avec les figures qui l'accompagnent, parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe transversale de deux parties forgées ensemble par le procédé de formation de joint, selon l'invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un moyeu et d'une couronne de disque de turbine joints ensemble par le procédé de formation de joint,
selon la présente invention.
Des articles présentant des propriétés mécaniques différentes dans des régions différentes trouvent leur utilisation dans des applications pour lesquelles des régions différentes des articles sont soumises à des
conditions de fonctionnement différentes qui néces-
sitent des propriétés mécaniques différentes. Lorsque ces conditions de fonctionnement non uniformes deviennent si sévères qu'un seul matériau homogène ne peut plus être utilisé pour répondre aux exigences de propriétés mécaniques variables, il convient alors d'utiliser un article constitué de deux matériaux différents, que l'on appelle communément un article composite. Le terme "composite" qui est utilisé aussi ici se rapporte à un article réalisé à partir de deux ou plus de deux matériaux, métaux ou alliages, chacun de ceux-ci présentant des propriétés mécaniques différentes ou une composition différente, ou à la fois
des propriétés et une composition différentes.
Selon la présente invention, un article peut comporter des parties réalisées à partir du même
alliage, chaque partie ayant été traitée thermo-
mécaniquement de façon à conférer les propriétés mécaniques requises pour une partie particulière de l'article. L'article selon l'invention peut également être réalisé à partir de plusieurs alliages différents appartenant à la même famille (par exemple des alliages à base de nickel), chaque alliage étant choisi pour satisfaire les exigences de propriétés mécaniques d'une partie particulière de l'article. L'invention concerne
aussi des articles dans lesquels des parties diffé-
rentes sont réalisées dans des alliages ou des métaux appartenant à des familles différentes (par exemple des alliages à base de titane et des alliages à base de fer). Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, chaque partie d'un disque de turbine est formé à partir de poudres de superalliage de haute qualité selon une composition spécifique. La poudre est transformée en lingot par un procédé de compaction et d'extrusion, ce lingot pouvant ensuite être utilisé dans sa forme initiale ou être forgé pour constituer une ébauche ou préforme. Le produit qui en résulte peut être ensuite mis en forme pour constituer un moyeu ou une couronne présentant des interfaces préformées séparées qui peuvent ensuite être traitées
pour présenter des propriétés mécaniques spécifiques.
On comprend que le traitement spécifique d'une préforme varie en fonction de l'alliage choisi et des propriétés mécaniques souhaitées. Dans un mode de réalisation particulier, les préformes ou ébauches formant moyeu et couronne sont réalisées à partir de superalliages à base de nickel, chacun ayant deux phases, une matrice en phase gamma (y) et un précipité en phase gamma prime (y'). Le gamma prime se forme au refroidissement et pendant le vieillissement ou se dissout pendant le chauffage au dessus d'une température rapportée à la température de solubilité. Des températures au dessus
de la solubilité sont appelées température de super-
solubilité. Les préformes de moyeu et de couronne peuvent être traitées dans leur gamme de température de super-solubilité pendant un temps suffisant pour permettre à la phase gamma prime d'entrer en solution dans la matrice en phase gamma. Les préformes de moyeu et de couronne sont alors trempées de façon à ce qu'une phase gamma prime uniforme initiale soit précipitée, puis subissent un traitement de vieillissement à une
température inférieure à la température de super-
solubilité pendant un temps suffisant pour générer une phase gamma prime à grain fin, avec une matrice en
phase gamma ayant une taille de grains appropriée.
Pour fabriquer la couronne, on peut utiliser un superalliage composé d'environ 10,7% à 19,2% de cobalt, io environ 10,8% à environ 14,0% de chrome, environ 3,3% à environ 5,8% de molybdène, environ 1,9% à 4,7% d'aluminium, environ 3,3% à 5,6% de titane, environ 0,9% à environ 2,7% de niobium, environ 0,005% à 0,042% de bore, 0,01% à environ 0,062% de carbonne, 0% à environ 0,062% de zirconium, éventuellement 0% à environ 0, 32% d'hafnium, et essentiellement de nickel
pour le complément.
Pour fabriquer le moyeu, on peut utiliser un superalliage composé d'environ 11,8% à 18,2% de cobalt, environ 13,8% à 17,2% de chrome, environ 4,3% à 6,2% de molybdène, environ 1,4% à 3,2% d'aluminium, environ 3,0% à 5,4% de titane, environ 0,90% à 3,2% de niobium, environ 0, 005% à 0,040% de bore, environ 0,010% à 0,090% de carbonne, environ 0, 010% à environ 0,090% de zirconium, éventuellement environ 3,0% à environ 6,0% de tungstène, éventuellement un élément sélectionné parmi le groupe constitué par l'hafnium et le tantale jusqu'à environ 0,4%, et essentiellement de nickel pour le complément. Le tungstène, utilisé éventuellement dans l'un des modes de réalisation de cet alliage, accroît la résistance du superalliage mais accroit de
façon indésirable sa densité.
La seule limitation de conception dans les articles composites selon la présente invention résulte du fait que les régions adjacentes des parties doivent être configurées convenablement de façon à ce qu'elles puissent être jointes ensemble par un procédé de réalisation du joint dans une matrice fermée présentant une cavité faisant face à une région de joint, produisant ainsi une région de joint sensiblement exempte de défauts néfastes. D'autre part, les alliages constituant les parties doivent être compatibles, c'est-à-dire qu'ils doivent être capables de former une
liaison métallurgique dans une région de joint.
En se reportant maintenant à la figure 1, on distingue un article réalisé à partir de deux parties différentes 1 et 2. La partie 2 peut être réalisée à partir d'un superalliage différent de celui de la partie 1, ou bien la partie 2 peut être réalisée à partir du même alliage qui a subit un traitement thermo-mécanique différent de celui de la partie 1, de façon à ce que chaque partie présente des propriétés mécaniques différentes. On distingue dans la figure 1 un matériau expulsé à partir de la région de joint 4 formant un bourrelet sur la surface supérieure de l'article monobloc, ce bourrelet résultant du processus de réalisation du joint. Le bourrelet peut contenir des défauts tels que des fissures ou des inclusions d'oxyde, ce bourrelet étant typique des processus de fabrication du joint et pouvant être enlevé dans une opération suivante par toutes techniques d'enlèvement classiques. La forme finale de la région de joint 4 est fonction de la configuration de départ des parties qui
sont jointes et est conique dans l'exemple présent.
La figure 2 décrit un disque de turbine constitué de deux alliages 10 présentant une couronne 11 en alliage résistant au fluage et résistant à la formation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée, ainsi qu'un moyeu 13 en alliage résistant à la fatigue sous faible cycle et une résistance à la rupture par traction élevée. La couronne 11 et le moyeu 13 sont préalablement préformés d'une manière symétrique par rapport à un axe de façon que des surfaces adjacentes
du moyeu 13 et de la couronne 11 présentent appro-
ximativement la même forme. Le préformage peut être obtenu par n'importe quelle technique connue telle que l'usinage ou le moulage. Le moyeu 13 et la couronne 11 sont alors joints métallurgiquement l'un à l'autre en utilisant un procédé de formation du joint destiné à former une région de joint 12 entre le moyeu 13 et la couronne 11, ce procédé consistant à placer le moyeu à l'intérieur de la couronne dans une matrice fermée et à chauffer jusqu'à une température minimum nécessaire de façon qu'à la fois l'alliage du moyeu et l'alliage de la couronne soient dans leur gamme respective de température de déformation plastique. De préférence, le moyeu et la couronne sont chauffés jusqu'à la température minimum nécessaire pour permettre aux deux alliages de subir une déformation superplastique. La matrice fermée présente une cavité située de façon adjacente à la région de joint. Après une opération de forgeage, le matériau 14 qui est susceptible de contenir des défauts et qui provient de la région de joint est expulsé jusque dans la cavité. Le matériau 14
est enlevé lors d'une opération suivante.
Le forgeage dans une matrice fermée du type décrit ici, destiné à la réalisation du joint provoque le modelage de métal chaud se trouvant complètement à l'intérieur des parois des cavités des deux pièces de la matrice qui se rapprochent l'une de l'autre pour enfermer la pièce à usiner de tous côtés. La mise en forme résultant de l'opération de forgeage peut être obtenue entièrement soit dans la pièce supérieure de la matrice, soit dans la pièce inférieure de la matrice, soit dans les deux pièces simultanément. L'opération de forgeage peut être soit du type à matrice de forgeage d'ébauche, soit du type classique, soit du type à tolérances serrées, bien que le forgeage du type à
tolérances serrées soit préféré.
Les parties préformées de départ n'ont pas besoin d'avoir une forme particulière puisqu'elles peuvent être par exemple moulées, forgées ouextrudées. D'autre part, la déformation plastique étendue peut être effectuée sur n'importe quel élément avant la formation du joint. La déformation s'effectuant pendant la formation du joint est confinée typiquement dans une région relativement petite à proximité du joint. La localisation de l'interface entre les parties peut être maîtrisée par un usinage des parties qui doivent être jointes. Bien que les parties présentant des interfaces coniques produisant des joints coniques ont été décrites présentemment, il peut exister d'autres modes de réalisation possibles. La forme du joint peut résulter de la forme de l'un des éléments présentant une combinaison de surfaces (présentant par exemple deux angles de cône différents). Les deux éléments
peuvent présenter chacun une combinaison de surfaces.
On peut utiliser également des surfaces présentant des courbures complexes. Chacune de ces combinaisons est englobée par l'expression "surfaces se conformant de façon approximative". Pour choisir une configuration de joint, on peut prendre comme critère celui consistant à dire que la configuration doit être efficace pour expulser les matériaux de surface depuis le joint
jusque dans l'espace ou la cavité adjacente au joint.
Chaque partie peut être traitée thermiquement selon un procédé classique quelconque avant d'effectuer la jonction, pourvu que la structure formée pendant le traitement thermique ne soit pas affectée par le processus de formation du joint et pouvu que la structure traitée thermiquement n'affecte pas le
processus de formation du joint.
Un disque de turbine constitué de deux alliages présentant des propriétés améliorées dans chaque zone du disque permet d'apporter des améliorations dans le rendement du moteur en permettant l'utilisation de disques plus grands du fait des exigences en matière de résistance au fluage et en matière de résistance liée à la propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée, au niveau de la partie formant couronne portée à haute température, tout en assurant la résistance souhaitée nécessaire dans la partie formant moyeu qui est soumise à une température plus faible mais à des contraintes plus élevées. Ainsi, les limitations que l'on rencontrait avec des disques réalisés en un seul alliage soumis à des températures
de fonctionnement très élevées peuvent être dépassées.
Le matériau du moyeu est typiquement choisi pour rendre maximum la résistance à la propagation de fissure par fatigue sous faible cycle tandis que le matériau de la couronne est choisi pour rendre maximum la résistance à la propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée, à la résistance au fluage et à la résistance à la rupture par fluage, afin d'assurer
une durée de vie prolongée de la turbine.
Le disque constitué de deux alliages selon la présente invention constitue en lui-même un produit nouveau du fait qu'il est relativement exempt de défaut, en particulier dans la région du joint. Les exemples spécifiques qui vont suivre décrivent des articles destinés à être utilisés dans le cadre de la
présente invention. De nombreuses combinaisons d'al-
liages ont été effectuées pour réaliser des disques de turbine en grandeur nature, sous forme de maquettes ou sous forme d'échantillons de forme rectangulaire. Ces alliages sont données seulement à titre d'illustrations et ne constituent en aucune façon une limitation de l'invention.
Exemple 1:
Le disque de turbine 10 correspondant à la figure 2 dans lequel la couronne 11 est réalisée à partir d'un superalliage connu commercialement sous le nom d'Alliage SR3. Cet alliage comprend, en pourcentages en poids, environ 10,9% à environ 12,9% de cobalt, environ 11,8% à environ 13,8% de chrome, environ 4,6% à environ ,6% de molybdène, environ 2,1% à environ 3,1% d'aluminium, environ 4,4% à environ 5,4% de titane, environ 1,1% à environ 2,1% de niobium, environ 0,005% à environ 0,025% de bore, environ 0,01% à environ 0,06% de carbonne, 0% à environ 0,06% de zirconium, 0% à environ 0,3% d'hafnium, et essentiellement de nickel
pour le complément.
Exemple 2: Le disque de turbine 10 correspondant à la figure 2 dans lequel la couronne 11 est réalisée à partir d'un superalliage connu commercialement sous le nom d'Alliage KM4. Cet alliage comprend, en pourcentages en poids, environ 17,0% à environ 19,0% de cobalt, environ 11,0% à environ 13,0% de chrome, environ 3,5% à environ 4,5% de molybdène, environ 3,5% à environ 4,5% d'aluminium, environ 3,5% à environ 4,5% de titane, environ 1,5% à environ 2,5% de niobium, environ 0,01% à environ 0, 04% de bore, environ 0,01% à environ 0,06% de carbonne, 0% à environ 0, 06% de zirconium, et
essentiellement de nickel pour le complément.
Exemple 3:
Le disque de turbine 10 correspondant à la figure 2 dans lequel le moyeu 13 est réalisé à partir d'un superalliage connu commercialement sous le nom d'Alliage A3. Cet alliage comprend, en pourcentages en poids, environ 16% à environ 18% de cobalt, environ 14% à environ 16% de chrome, environ 4,5% à environ 5,5% de molybdène, environ 2% à environ 3% d'aluminium, environ 4,2% à environ 5,2% de titane, environ 1,1% à environ 2,1% de niobium, environ 0,020% à environ 0,040% de bore, environ 0,040% à environ 0,080% de carbonne, environ 0,040 à environ 0,080% de zirconium, et
essentiellement de nickel pour le complément.
Exemple 4: Le disque de turbine 10 correspondant à la figure 2 dans lequel le moyeu 13 est réalisé à partir d'un superalliage connu commercialement sous le nom d'Alliage W5. Cet alliage comprend, en pourcentages en poids, environ 12% à environ 14% de cobalt, environ 15% à environ 17% de chrome, environ 5,0% à environ 6,0% de molybdène, environ 1,6% à environ 2,6% d'aluminium, environ 3,2% à environ 4,2% de titane, environ 1,5% à environ 2,5% de niobium, environ 0,005% à environ 0,025% de bore, environ 0,010% à environ 0,050% de carbonne, environ 0,010% à environ 0,050% de zirconium, éventuellement un élément sélectionné parmi le groupe constitué par l'hafnium et le tantale jusqu'à environ
0,3%, et essentiellement de nickel pour le complément.
Exemple 5: Le disque de turbine 10 correspondant à la figure 2 dans lequel le moyeu 13 est réalisé à partir d'un superalliage connu commercialement sous le nom d'Alliage KM2. Cet alliage comprend, en pourcentages en poids, environ 17% à environ 19% de cobalt, environ 15% à environ 17% de chrome, environ 4,5% à environ 5,5% de molybdène, environ 2,5% à environ 3,5% de tungstène, environ 2% à environ 3% d'aluminium, environ 2,5 à environ 3,5% de titane, environ 2,5% à environ 3,5% de niobium, environ 0,020% à environ 0,040% de bore, environ 0,030% à environ 0,070% de carbonne, environ 0,030 à environ 0,070% de zirconium, et essentiellement
de nickel pour le complément.
Exemple 6:
Le disque de turbine 10 correspondant à la figure 2 dans lequel la couronne 11 est réalisée à partir d'un superalliage connu commercialement sous le nom de Rene'88. Cet alliage comprend, en pourcentages en poids, environ 12% à environ 14% de cobalt, environ 15% à environ 17% de chrome, environ 3,5% à environ 4,5% de molybdène, environ 3,5% à environ 4,5% de tungstène, environ 1,5% à environ 2,5% d'aluminium, environ 3,2% à environ 4,2% de titane, environ 0,5% à environ 1,0% de niobium, environ 0, 01% à environ 0,04% de bore, environ 0,01% à environ 0,06% de carbonne, 0, 01% à environ 0,06% de zirconium, 0% à environ 0,01% de vanadium, 0% à environ 0,3% d'hafnium, 0% à environ 0,01% d'yttrium
et essentiellement de nickel pour le complément.
Exemple 7:
Le disque de turbine 10 correspondant à la figure 2 dans lequel le moyeu 13 est réalisé à partir d'un superalliage connu commercialement sous le nom de Rene'88. Cet alliage comprend, en pourcentages en poids, environ 12% à environ 14% de cobalt, environ 15% à environ 17% de chrome, environ 3,5% à environ 4,5% de molybdène, environ 3,5% à environ 4,5% de tungstène, environ 1,5% à environ 2,5% d'aluminium, environ 3,2% à environ 4,2% de titane, environ 0,5% à environ 1,0% de niobium, environ 0, 01% à environ 0,04% de bore, environ 0,01% à environ 0,06% de carbonne, 0, 01% à environ 0,06% de zirconium, 0% à environ 0,01% de vanadium, 0% à environ 0,3% d'hafnium, 0% à environ 0,01% d'yttrium
et essentiellement de nickel pour le complément.
Exemple 8:
Le disque de turbine 10 correspondant à la figure 2 dans lequel le moyeu 13 est réalisé à partir d'un superalliage connu commercialement sous le nom de Rene'95. Cet alliage comprend, en pourcentages en poids, environ 7% à environ 9% de cobalt, environ 12% à environ 14% de chrome, environ 3, 3% à environ 3,7% de molybdène, environ 3,3% à environ 3,7% de tungstène, environ 3,3% à environ 3,7% d'aluminium, environ 2,3% à environ 2,7% de titane, environ 3,3% à environ 3,7% de niobium, environ 0,03% à environ 0, 7% de zirconium, environ 0,04% à environ 0,09% de carbonne, 0,006% à environ 0,015% de bore et essentiellement de nickel pour le complément.
Exemple 9:
Le disque de turbine 10 correspondant à la figure 2 dans lequel le moyeu 13 est réalisé à partir d'un superalliage connu commercialement sous le nom de HK-36. Cet alliage comprend, en pourcentages en poids, environ 15% de cobalt, environ 10% de chrome, environ 3% de molybdène, environ 5% d'aluminium, environ 2,25% de titane, environ 2,7% de tantale, environ 1, 35% de niobium, environ 0,06% de zirconium, environ 1,0% de vanadium, environ 0,05% de carbonne, 0,03% de bore et
essentiellement de nickel pour le complément.
Exemple 10:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
SR3 et un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage A3.
Exemple 11:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
SR3 et un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage W5.
Exemple 12: Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
SR3 et un moyeu 13 réalisé à partir de Rene'95.
Exemple 13:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
SR3 et un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage KM2.
Exemple 14:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
SR3 et un moyeu 13 réalisé à partir de Rene'88.
Exemple 15
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
KM4 et un moyeu 13 réalisé à partir d'Alliage A3.
Exemple 16: Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
KM4 et un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage W5.
Exemple 17:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
KM4 et un moyeu 13 réalisé à partir de Rene'95.
Exemple 18:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
KM4 et un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage KM2.
Exemple 19:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir d'un Alliage
KM4 et un moyeu 13 réalisé à partir de Rene'88.
Exemple 20:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir de HK-36 et
un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage A3.
Exemple 21: Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir de HK-36 et
un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage W5.
Exemple 22:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir de HK-36 et
un moyeu 13 réalisé à partir de Rene'95.
Exemple 23:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir de HK-36 et
un moyeu 13 réalisé à partir de Rene'88.
Exemple 24
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir de HK-36 et
un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage KM2.
Exemple 25: Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir de Rene'88
et un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage A3.
Exemple 26:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir de Rene'88
et un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage W5.
Exemple 27:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir de Rene'88
et un moyeu 13 réalisé à partir d'un Alliage KM2.
Exemple 28:
Le disque de turbine représenté en figure 2 comprend une couronne 11 réalisée à partir de Rene'88 et un moyeu 13 réalisé à partir de Rene'88, la couronne et le moyeu ayant été traités de façon à présenter des
propriétés mécaniques différentes.
Dans les exemple 1 à 27 de la présente invention, l'alliage constituant le moyeu est un superalliage présentant une fraction de volume gamma relativement faible (par exemple, calculée pour être de l'ordre de à 50%) en comparaison avec le superalliage de la couronne (par exemple, calculée pour être de l'ordre de à 65%). Cette approche est prévue de façon à donner la meilleure répartition entre les caractéristiques relatives au moyeu de traction, de fatigue sous faible cycle et de propagation de fissure, et les caractéristiques relatives à la couronne de fluage, de propagation de fissure et de propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée. Cependant, cette approche nécessitera probablement une certaine forme de traitement thermique différentiel, ce qui sera probablement difficile à mettre en oeuvre. Dans une telle situation, la température de solubilité gamma prime de 1 'alliage du moyeu devrait être généralement inférieure à la température de solubilité gamma prime
de l'alliage de la couronne.
Dans un autre mode de réalisation de la présente invention correspondant à l'exemple 29 cité ci-après, un superalliage présentant une grande partie du volume en phase gamma prime peut être préformé pour constituer la partie formant moyeu d'un disque comprenant deux alliages, tandis qu'un superalliage présentant une faible partie du volume en phase gamma prime peut être
préformé pour constituer la partie formant couronne.
Cela signifierait que l'alliage du moyeu devrait avoir une solubilité gamma prime (TH) supérieure à celle de l'alliage de la couronne (TR). En conséquence, il devrait être possible de traiter thermiquement le disque constitué de deux alliages selon une température T telle que TH > T > TR, de telle sorte que le moyeu du composant conserve un grain fin (par exemple un grain ASTN = 10, ou un grain plus fin) et que la taille de grain de la couronne soit augmentée (par exemple un grain ASTN = 9 ou un grain supérieur). Ce concept fournirait d'excellentes propriétés en tension et en fatigue sous faible cycle dans le moyeu mais conduirait à une dégradation des propriétés de propagation de fissure. Les propriétés de fluage de l'alliage de la couronne seraient similaires à celles obtenues en utilisant un alliage dans lequel une grande partie du volume est en phase gamma prime, mais la résistance à la propagation de fissure sous contrainte prolongée
pourait être réduite.
Un exemple spécifique de disque constitué de deux alliages selon la présente invention, l'alliage de la couronne présente une partie du volume relativement faible en gamma prime, et une température de solubilité gamma prime plus faible, et l'alliage du moyeu présente une partie du volume plus grande en gamma prime et une température de solubilité gamma prime plus élevée, permettant ainsi un traitement thermique uniforme de l'ensemble du disque à une température intermédiaire comprise entre ces températures de solubilité gamma prime, afin de produire les propriétés souhaitées. Bien que cet exemple spécifique décrive un article concerné par la présente invention, il est donné seulement à titre d'illustration et ne doit pas être pris comme une
limitation de l'invention puisque d'autres super-
alliages présentant de telles caractéristiques peuvent être combinés pour être mis en oeuvre dans le cadre de
la présente invention.
Exemple 29:
Le disque de turbine de la figure 2 dans lequel la couronne 11 est réalisée à partir de Rene'88 et le
moyeu 13 est réalisé à partir de Rene'95.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation et aux exemples qui ont été décrits mais englobe également toutes les variantes ou adaptations qui pourraient être envisagées dans le cadre de cette invention.
Claims (22)
1. Article caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins une première et une seconde parties (2, 3), ces parties étant jointes l'une à l'autre au niveau d'une région de joint (5), cette région de joint étant sensiblement exempte de défauts.
2. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties comprennent des alliages appartenant à la même famille mais présentant
des propriétés mécaniques différentes.
3. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties comprennent des métaux ou des alliages appartenant à des familles différentes et présetant des propriétés mécaniques différentes.
4. Disque de turbine constitué de deux alliages, caractérisé en ce qu'il comprend une couronne (3) réalisée en un premier métal, ce disque comprenant en outre un moyeu (2) réalisé en un second métal, le moyeu et la couronne étant joints métallurgiquement à l'autre au niveau d'une région de joint (5), cette région de joint étant sensiblement exempte de défaut du fait de l'expulsion de matériau susceptible de contenir des défauts, cette expulsion se produisant pendant la formation du joint afin de constituer le disque selon
un article monobloc.
5. Disque de turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couronne est constituée essentiellement d'un alliage composé d'environ 10, 7% à 19,2% de cobalt, environ 10,8% à 14,0% de chrome, environ 3,3% à 5, 8% de molybdène, environ 1,9% à 4,7% d'aluminium, environ 3,3% à 5,6% de titane, environ 0,9% à 2,7% de niobium, 0 à environ 0,32% d'hafnium, environ 0,005% à 0,042% de bore, 0 à environ 0,062% de carbonne, 0 à environ 0,062% de zirconium, et
essentiellement de nickel pour le complément.
6. Disque de turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyeu est constitué essentiellement d'un alliage composé d'environ 11,8% à 18,2% de cobalt, environ 13,8% à 17,2% de chrome, environ 4,3% à 6,2% de molybdène, environ 1,4% à 3,2% d'aluminium, environ 3,0% à 5,4% de titane, environ 0,90% à 3,2% de niobium, environ 0,005% à 0,040% de bore, environ 0,010% à 0,090% de carbonne, environ 0,010% à 0,090% de zirconium, éventuellement environ 3,0% à environ 6,0% de tungstène, un élément sélectionné parmi le groupe constitué par l'hafnium et le tantale jusqu'à environ 0,4%, du tungstène entre 0 et environ 3,5%, et essentiellement de nickel pour le complément.
7. Disque de turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'alliage de la couronne est un alliage choisi dans le groupe constitué de l'Alliage
SR3, l'Alliage KM4, le Rene'88 et le HK-36.
8. Disque de turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'alliage du moyeu est un alliage choisi dans le groupe constitué de l'Alliage A3,
l'Alliage W5, l'alliage KM2, le Rene'95 et le Rene'88.
9. Disque de turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'alliage de la couronne est un alliage choisi dans le groupe constitué de l'Alliage SR3, l'Alliage KM4, le Rene'88 et le HK-36 et en ce que l'alliage du moyeu est un alliage choisi dans le groupe constitué de l'Alliage A3, l'Alliage W5, l'alliage KM2,
le Rene'95 et le Rene'88.
10. Disque de turbine comprenant deux alliages, caractérisé en ce qu'il comprend une couronne (3) réalisée dans un premier alliage présentant une résistance au fluage et une résistance à la propagation de fissure par fatigue sous contrainte prolongée élevées, et un moyeu (2) réalisé dans un second alliage présentant une limite élastique en traction et une résistances à la propagation de fissure par fatigue sous faible cycle élevées, ce moyeu et cette couronne étant joints métallurgiquement l'un à l'autre au niveau d'une région de joint (5), cette région de joint étant sensiblement exempte de défaut du fait de l'expulsion de matériau susceptible de contenir des défauts, cette expulsion se produisant pendant la formation du joint, afin de constituer le disque en tant qu'article monobloc.
11. Disque de turbine selon la revendication 10, caractérisé en ce que la couronne est constituée essentiellement d'un alliage composé d'environ 10,7% à 19,2% de cobalt, environ 10,8% à 14,0% de chrome, environ 3,3% à 5,8% de molybdène, environ 1,9% à 4,7% d'aluminium, environ 3,3% à 5,6% de titane, environ 0,9% à 2,7% de niobium, 0 à environ 0,32% d'hafnium, environ 0,005% à 0,042% de bore, 0 à environ 0,062% de carbonne, 0 à environ 0,062% de zirconium, et
essentiellement de nickel pour le complément.
12. Disque de turbine selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyeu est constitué essentiellement d'un alliage composé d'environ 11,8% à 18,2% de cobalt, environ 13,8% à 17,2% de chrome, environ 4,3% à 6,2% de molybdène, environ 1,4% à 3,2% d'aluminium, environ 3,0% à 5,4% de titane, environ 0,90% à 3,2% de niobium, environ 0,005% à 0,040% de bore, environ 0,010% à 0,090% de carbonne, environ 0,010% à 0,090% de zirconium, éventuellement environ 3,0% à environ 6,0% de tungstène, éventuellement un élément sélectionné parmi le groupe constitué par l'hafnium et le tantale de 0 jusqu'à environ 0,4%, et
essentiellement de nickel pour le complément.
13. Disque de turbine selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'alliage de la couronne est un alliage choisi dans le groupe constitué de l'Alliage
SR3, l'Alliage KM4, le Rene'88 et le HK-36.
14. Disque de turbine selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'alliage du moyeu est un alliage choisi dans le groupe constitué de l'Alliage A3,
l'Alliage W5, l'alliage KM2, le Rene'95 et le Rene'88.
15. Disque de turbine selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'alliage de la couronne est un alliage choisi dans le groupe constitué de l'Alliage SR3, l'Alliage KM4, le Rene'88 et le HK-36 et en ce que l'alliage du moyeu est un alliage choisi dans le groupe constitué de l'Alliage A3, l'Alliage W5, l'alliage KM2,
le Rene'95 et le Rene'88.
16. Disque de turbine constitué de deux alliages, caractérisé en ce qu'il comprend un moyeu (2) réalisé à partir d'un superalliage présentant une faible partie du volume en phase gamma prime, en
comparaison du superalliage de la couronne.
17. Disque de turbine constitué de deux alliages selon la revendication 16, caractérisé en ce que la partie du volume en phase gamma prime du superalliage
de la couronne représente environ 35% à environ 65%.
18. Disque de turbine constitué de deux alliages selon la revendication 16, caractérisé en ce que la partie du volume en phase gamma prime du superalliage
du moyeu représente environ 40% à environ 50%.
19. Disque de turbine constitué de deux alliages, caractérisé en ce qu'il comprend un moyeu (2) réalisé à partir d'un superalliage présentant une grande partie du volume en phase gamma prime en comparaison du superalliage d'une couronne (3) du disque.
20. Disque de turbine constitué de deux alliages selon la revendication 19, caractérisé en ce que le superalliage du moyeu est le Rene'95 et le superalliage
de la couronne est le Rene'88.
21. Disque de turbine constitué de deux alliages caractérisé en ce qu'il comprend un moyeu (2) réalisé à partir d'un superalliage présentant une température de solubilité de phase gamma prime inférieure à la température de solubilité de phase gamma prime du
superalliage d'une couronne (3) du disque.
22. Disque de turbine constitué de deux alliages caractérisé en ce qu'il comprend un moyeu (2) réalisé en un superalliage présentant une température de solubilité en phase gamma prime supérieure à la température de solubilité en phase gamma prime d'un
superalliage d'une couronne (3) du disque.
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