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TWI777652B - 具有抗衝擊強度層及柔韌層之鈦合金板材及其製造方法 - Google Patents

具有抗衝擊強度層及柔韌層之鈦合金板材及其製造方法 Download PDF

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TWI777652B
TWI777652B TW110124486A TW110124486A TWI777652B TW I777652 B TWI777652 B TW I777652B TW 110124486 A TW110124486 A TW 110124486A TW 110124486 A TW110124486 A TW 110124486A TW I777652 B TWI777652 B TW I777652B
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大田精密工業股份有限公司
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Abstract

一種鈦合金板材製造方法包括下列步驟：進行一熔煉製程；進行一鍛造製程；進行一軋製製程；以及在固溶溫度以下，對該軋製製程後之該板材進行一時效熱處理而完成一鈦合金板材：其中該鈦合金板材包括以下成份：1~4wt%的鋁、7~10wt%的釩、4~7wt%的鉻、3~5wt%的鉬、2~6wt%的鋯、0.5~1.5%的鐵、0.03wt%以下的氮、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質。本發明之具有抗衝擊強度層及柔韌層之鈦合金板材達成同時符合強度需求與兼具柔韌度的仿複合材結構的鈦合金板材。

Description

具有抗衝擊強度層及柔韌層之鈦合金板材及其製造方法
本發明是有關於一種鈦合金板材及其製造方法，且特別是有關於一種具有抗衝擊強度層及柔韌層之鈦合金板材及其製造方法。
高爾夫球桿頭在使用過程中會以極高的瞬間速度撞擊堅硬的高爾夫球，其嚴苛程度使得該產業一般都會使用上國防等級的超高強度材料，但隨著科技的提升與材料的革新，現有的材料強度已經能符合大部分高爾夫球桿頭的需求，因此繼續追求更高的強度以不是目前的主流方向。
現下高爾夫球產品最看重的指標為擊球的飛行距離，要達到增加飛行距離最主流的方法是增加高爾夫球桿頭表面在撞擊時的變形量，來減少高爾夫球變形造成的內摩擦消耗，通常這個變形量除了使用高爾夫球桿頭結構設計以外，在材料面則會傾向於增加材料的柔韌性來增加表面變形程度、增強飛行距離。
然而，要提升材料的柔韌性，勢必得犧牲一部分的材料強度，最大的瓶頸是柔韌的材料一般無法承受高爾夫球極端嚴苛的測試環境。
因此，便有需要提供一種鈦合金板材及其製造方法，以解決上述問題。
本發明之一目的是提供一種具有抗衝擊強度層及柔韌層之鈦合金板材及其製造方法。
依據上述之目的，本發明提供一種鈦合金板材製造方法，包括下列步驟：對含有鈦、鋁、釩、鉻、鉬、鋯、鐵的各個材料進行一熔煉製程，以形成一鑄錠；對該鑄錠進行一鍛造製程而形成一板胚；對該板胚進行一軋製製程而形成一板材，其中該軋製製程包括：進行一第一熱軋步驟：在加熱温度950±50℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度；進行一第二熱軋步驟：在加熱温度750±50℃之間，將該第一熱處理步驟後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度；進行一第三熱軋步驟：在加熱温度950±50℃之間，將該第二熱處理步驟後之板胚進行水淬；以及進行一第四熱軋步驟：在加熱温度750±50℃之間，將該第三熱軋步驟後之板胚進行換向滾軋，使該板胚之第二厚度減至第三厚度；以及在固溶溫度以下，對該軋製製程後之該板材進行一時效熱處理而完成一鈦合金板材：其中該鈦合金板材包括以下成份：1~4wt%的鋁、7~10wt%的釩、4~7wt%的鉻、3~5wt%的鉬、2~6wt%的鋯、0.5~1.5%的鐵、0.03wt%以下的氮、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質。
本發明更提供一種鈦合金板材，以其總重為100wt%計算，該鈦合金板材包括以下成份：1~4wt%的鋁、7~10wt%的釩、4~7wt%的鉻、3~5wt%的鉬、2~6wt%的鋯、0.5~1.5%的鐵、0.03wt%以下的氮、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質。
本發明之具有抗衝擊強度層及柔韌層之鈦合金板材是一種「仿複合材結構之鈦合金板材」，在同一種鈦合金材料上做出不同特性的材料層結構，利用板材軋製製程配合特殊的時效熱處理條件形成一種板材外層具有抗衝擊高強度特性，而板材內層則具有柔韌特性，能增加高爾夫球頭抗疲勞與增加變形量，來達成同時符合強度需求與兼具柔韌度的仿複合材結構的鈦合金板材。本發明達成類似複合材料的結構特性：將鈦合金材料之兩種以上的結構特性組合成形，發揮有別於單獨鈦合金材料所不能發揮的多種結構特性。因此，本發明的鈦合金板材不但能符合高爾夫球頭對於基本強度的嚴苛條件，還能同時兼顧產業對於擊球的飛行距離的需求，用於做出耐用、且打得遠的高爾夫球桿頭。
1:鈦合金板材
11:內層
12:過渡層
13:外層
S100:步驟
S200:步驟
S210:第一鍛造步驟
S220:第二鍛造步驟
S230:第三鍛造步驟
S240:第四鍛造步驟
S250:步驟
S300:步驟
S310:第一熱軋步驟
S320:第二熱軋步驟
S330:第三熱軋步驟
S340:第四熱軋步驟
圖1為本發明之一實施例的鈦合金板材製造方法之流程示意圖。
圖2a為本發明之鍛造製程之流程示意圖。
圖2b為本發明之軋製製程之流程示意圖。
圖3為本發明之一實施例的鈦合金板材的剖面示意圖。
圖4為本發明之一實施例的鈦合金板材內層處的金相圖(SEM掃描電子顯微鏡照片-100倍)，其顯示板材內層處的金相為α β雙相混合，但以β相為主搭配少量α相。
圖5為本發明之一實施例的鈦合金板材外層的金相圖(SEM掃描電子顯微鏡照片-100倍)，其顯示板材外層處金相主要以α相為主。
圖6為本發明之一實施例的鈦合金板材過渡層的金相圖(SEM掃描電子顯微鏡照片-100倍)，其顯示介於板材內層與外層間的過渡層為α β雙相混合，但 以α相為主搭配少量β相。
圖7a為本發明之一實施例的鈦合金板材內層的金相圖(OM光學顯微鏡照片-100倍)。
圖7b為本發明之一實施例的鈦合金板材外層的金相圖(OM光學顯微鏡照片-500倍)。
圖7c為本發明之一實施例的鈦合金板材過渡層的金相圖(OM光學顯微鏡照片-500倍)。
圖8a及8b為本發明之一實施例的鈦合金板材經固溶+時效熱處理後的金相圖(SEM掃描電子顯微鏡照片-500及2000倍)。
為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。
圖1為本發明之一實施例的鈦合金板材製造方法之流程示意圖。該鈦合金板材製造方法，包括下列步驟：
在步驟S100中，對含有鈦(Ti)、鋁(Al)、釩(V)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鋯(Zr)、鐵(Fe)的各個材料進行一熔煉製程，以形成一鑄錠。在本實施例中，該熔煉製程可採用海綿鈦、鈦鋁合金、鋁釩鉻合金、鉻鐵、鉬鐵進行真空電弧自耗熔煉。在另一實施例中，該熔煉製程也可採用純鈦、純鋁、純釩、純鉻、純鉬、純鋯、純鐵進行真空電弧自耗熔煉。該真空自耗電弧是指利用直流電源在電極與放置於銅坩堝底板之間產生電弧，電弧產生高熱熔化電極，電極不斷下降溶化，在水冷銅坩堝內形成熔池，熔化的金屬完成速凝、結晶、成錠。
舉例，該熔煉製程以海綿鈦、鈦鋁合金、鋁釩鋯合金、鉻鐵、鉬鐵為原料配置合金料，各組成分依照設計質量配比後，進行真空自耗熔煉爐熔煉，熔煉次數為3次，一次錠直徑為120mm，二次錠直徑為170mm，三次錠直徑為220mm。鑄錠生產工藝流程如下：海綿鈦→挑料→混料→布料→壓制電極→電極組焊→熔煉→鑄錠處理、分析檢驗→入庫。根據所確定的工藝路線、合金化方式及所制定的試製方案熔煉出直徑Φ220mm的鑄錠。鑄錠扒除表面污染層及皮下氣孔缺陷後，在距離鑄錠冒口和底部均為50mm位置，取化學成分和氣體分析樣品。採用標準方法，完成了成分檢測，結果見表1。可見，鑄錠中各主要元素及雜質元素均滿足試製要求，成分控制達到了預期目標。
Figure 110124486-A0305-02-0007-1
在步驟S200中，對該鑄錠進行一鍛造製程(forging process)而形成一板胚。舉例，採用的鍛造設備為800噸快鍛機，加熱爐温度控制精度±10 ℃。圖2a為本發明之鍛造製程之流程示意圖。該鍛造製程包括：進行一第一鍛造步驟S210，開坯：在加熱温度1000±10℃之間，將該鑄錠進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕，以形成一坯料；進行一第二鍛造步驟S220，坯料改鍛：在加熱温度920±10℃之間，將該第一鍛造步驟S210後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；進行一第三鍛造步驟S230，坯料改鍛：在加熱温度860±10℃之間，將該第二鍛造步驟S220後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；進行一第四鍛造步驟S240，坯料改鍛：在加熱温度800±10℃之間，將該第三鍛造步驟S230後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後回爐；以及在步驟S250中，將該第四鍛造步驟後之坯料進行單向壓下及四周整形交替操作，並鍛製成尺寸為400mmx300mmx60mm的板坯。
在步驟S300中，對該板胚進行一軋製製程(rolling process)而形成一板材。舉例，採用軋輥寬度為400mm的小型軋板機完成板材軋製。該板坯採用高温箱式電阻爐加熱，在熱軋試驗機組軋機上軋製。使用數字電位差計對箱式電阻爐進行温度校訂，保證温度偏差±10℃。
圖2b為本發明之軋製製程之流程示意圖。在本實施例中，該軋製製程(亦即壓軋工法)包括：進行一第一熱處理步驟S310：在加熱温度950±50℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度，例如δ 60mm→δ 30mm；進行一第二熱處理步驟S320：在加熱温度750±50℃之間，將該第一熱處理步驟S310後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度，例如δ 30mm→δ 15mm；進行一第三熱處理步驟S330：在加熱温度950±50℃之間，將該第二熱處理步驟S320後之板胚進行水淬，例如 水淬30分鐘；以及進行一第四熱處理步驟S340：在加熱温度750±50℃之間，將該第三熱處理步驟S330後之板胚進行換向滾軋，使該板胚之第二厚度減至第三厚度，例如δ 15mm→δ 4±0.6mm。搭配鈦合金之新的成份比例，本發明之新的軋製製程可再提升鈦合金板材具有更佳的強度與延展性。
在步驟S400中，在固溶溫度以下，對該軋製製程後之該板材進行一時效熱處理而完成一鈦合金板材產品。舉例，欲達成本發明之鈦合金的材料性質，該板材在固溶溫度以下做時效熱處理，溫度為300~750℃，處理2~8hr，而完成該鈦合金板材產品。該鈦合金板材產品包括以下成份：1~4wt%的鋁、7~10wt%的釩、4~7wt%的鉻、3~5wt%的鉬、2~6wt%的鋯、0.5~1.5%的鐵、0.03wt%以下的氮、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.05wt%以下的碳，平衡量的鈦所組成，以及不可避免之雜質，如表2。
Figure 110124486-A0305-02-0009-2
本發明之時效熱處理後的鈦合金板材產品性能：在約4.5mm板材上取樣，在室溫下進行拉伸測試，由表3可見本發明之實施例1~5的鈦合金板材對比業界常用合金(Ti-6Al-4V)，擁有更佳的抗拉強度、降伏強度與延伸率。
Figure 110124486-A0305-02-0009-3
Figure 110124486-A0305-02-0010-4
本發明之鈦合金板材，其材料設計成分與軋製製程後，使得板材在做熱處理時，晶粒容易出現成長速度不一致特性，一般情況下該技術手段容易造成大小晶粒混合使材料呈現脆斷性質，但在合適的時效熱處理下則能利用晶粒成長數速度的差異達成獨特的材料性質。
圖3為本發明之一實施例的鈦合金板材的剖面示意圖。利用晶粒成長數速度的差異，該板材經過時效熱處理後，該鈦合金板材1能形成外層13的金相為強化的α相為主，作為抗衝擊強度層；而內層11的金相則為α β雙相混合的材料結構，作為柔韌層。詳言之，該鈦合金板材1包括一內層11、一過渡層12及一外層13。該鈦合金板材1從橫截面的金相來看可區分為三個區塊，第一區塊：該內層11的金相為α β雙相混合，但以β相為主搭配少量α相(圖4、圖7-a所示)；第二區塊：該外層13的金相主要以α相為主(圖5、圖7-b所示)；以及，第三區塊：而介於內層11與外層13間的過渡層12則為α β雙相混合，但以α相為主搭配少量β相(圖6、圖7-c所示)。
具有抗衝擊強度層及柔韌層之鈦合金板材結構用於高爾夫球頭上時，板材外層的α強化相可幫助材料撐過嚴苛的高爾夫球衝擊環境，而板材內層的α β相則讓鈦合金材料保持一定的延伸率，提升抗疲勞的同時也能 使高爾夫球頭保持良好的COR值及CT值。COR值為恢復係數(coefficient of restitution)，是指兩物體在碰撞後所產生得能量增減值，數值越高表示能量損失越少，高爾夫球能飛越遠。一般越柔韌的材料，高爾夫球在撞擊時會有越大的變形量，使高爾夫球飛的越遠，而COR值會呈現正相關的提高。CT值為特徵計時(characteristic time)，單位是μsec(千分之一秒)，是指用一個定質量的鐵球敲擊打擊面，從接觸打擊面到碰撞、結合、變型到離開桿面的時間。CT值越大，表示打擊面擊打到球，到球飛離杆面的時間越長。
本發明之鈦合金板材需在固溶溫度以下進行時效熱處理來達成，否則材料一旦經過固溶處理(solution treatment)會導致軋製製程的影響減弱，後續再做時效熱處理時，成長速度差異的特性會消失大半，成長為均勻的單相α強化相結構材料而非雙相結構(圖8a及8b所示)，而從球頭耐久測試與COR值及CT值測試來看(表4所示)，固溶+時效熱處理的鈦合金板材(圖8a及8b所示)相比純時效熱處理的鈦合金板材(圖7a~7c所示)，其球頭耐久測試有所提升(實測球頭耐久測試：用砲擊機將高爾夫球以球速53m/s速度，連續撞擊鈦合金板材至破裂)，但COR值及CT值則下降，使高爾夫球飛行的距離變短，因此固溶+時效熱處理後的之鈦合金板材不符合本發明之鈦合金板材同時兼具強度與擊球距離的目的。
Figure 110124486-A0305-02-0011-5
本發明之具有抗衝擊強度層及柔韌層之鈦合金板材是一種「仿 複合材結構之鈦合金板材」，在同一種鈦合金材料上做出不同特性的材料層結構，利用板材軋製製程配合特殊的時效熱處理條件形成一種板材外層具有抗衝擊高強度特性，而板材內層則具有柔韌特性，能增加高爾夫球頭抗疲勞與增加變形量，來達成同時符合強度需求與兼具柔韌度的仿複合材結構的鈦合金板材。本發明達成類似複合材料的結構特性：將鈦合金材料之兩種以上的結構特性組合成形，發揮有別於單獨鈦合金材料所不能發揮的多種結構特性。因此，本發明的鈦合金板材不但能符合高爾夫球頭對於基本強度的嚴苛條件，還能同時兼顧產業對於擊球的飛行距離的需求，用於做出耐用、且打得遠的高爾夫球桿頭。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
S100:步驟
S200:步驟
S300:步驟
S400:步驟

Claims (8)

  1. 一種鈦合金板材製造方法，包括下列步驟：對含有鈦、鋁、釩、鉻、鉬、鋯、鐵的各個材料進行一熔煉製程，以形成一鑄錠；對該鑄錠進行一鍛造製程而形成一板胚，其中該鍛造製程包括：進行一第一鍛造步驟：在加熱温度1000±10℃之間，將該鑄錠進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕，以形成一坯料；進行一第二鍛造步驟：在加熱温度920±10℃之間，將該第一鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；進行一第三鍛造步驟：在加熱温度860±10℃之間，將該第二鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；進行一第四鍛造步驟：在加熱温度800±10℃之間，將該第三鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後回爐；以及將該第四鍛造步驟後之坯料進行單向壓下及四周整形交替操作，以形成該板坯；對該板胚進行一軋製製程而形成一板材，其中該軋製製程包括：進行一第一熱處理步驟：在加熱温度950±50℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度；進行一第二熱處理步驟：在加熱温度750±50℃之間，將該第一熱處理步驟後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度；進行一第三熱處理步驟：在加熱温度950±50℃之間，將該第二熱處理步驟後之板胚進行水淬；以及進行一第四熱處理步驟：在加熱温度750±50℃之間，將該第三熱處理步驟後之板胚進行換向滾軋，使該板胚之第二厚度減至第三厚度；以及 對該軋製製程後之該板材進行一時效熱處理而完成一鈦合金板材，其中該時效熱處理是指熱處理溫度為300~750℃，熱處理時間為2~8hr；其中該鈦合金板材包括以下成份：1~4wt%的鋁、7~10wt%的釩、4~7wt%的鉻、3~5wt%的鉬、2~6wt%的鋯、0.5~1.5%的鐵、0.03wt%以下的氮、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質。
  2. 根據專利申請範圍第1項所述之鈦合金板材製造方法，其中該鈦合金板材包括一外層及一內層，該外層的金相為強化的α相為主，作為抗衝擊強度層；而該內層的金相則為αβ雙相混合的材料結構，作為柔韌層。
  3. 根據專利申請範圍第2項所述之鈦合金板材製造方法，其中該鈦合金板材更包括一過渡層，該過渡層的金相為αβ雙相混合，但以α相為主搭配少量β相；該內層的金相為αβ雙相混合，但以β相為主搭配少量α相；以及，該外層的金相主要以α相為主。
  4. 根據專利申請範圍第3項所述之鈦合金板材製造方法，其中該熔煉製程包括：採用海綿鈦、鈦鋁合金、鋁釩鋯合金、鉻鐵、鉬鐵進行真空電弧自耗熔煉。
  5. 一種鈦合金板材製造方法，包括下列步驟：對含有鈦、鋁、釩、鉻、鉬、鋯、鐵的各個材料進行一熔煉製程，以形成一鑄錠；對該鑄錠進行一鍛造製程而形成一板胚，其中該鍛造製程包括：進行一第一鍛造步驟：在加熱温度1000±10℃之間，將該鑄錠進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕，以形成一坯料； 進行一第二鍛造步驟：在加熱温度920±10℃之間，將該第一鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；進行一第三鍛造步驟；在加熱温度860±10℃之間，將該第二鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；進行一第四鍛造步驟：在加熱温度800±10℃之間，將該第三鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後回爐；以及將該第四鍛造步驟後之坯料進行單向壓下及四周整形交替操作，以形成該板坯；以及對該板胚進行一軋製製程而形成一鈦合金板材，其中該軋製製程包括：進行一第一熱處理步驟：在加熱温度1000±100℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度；進行一第二熱處理步驟：在加熱温度750±50℃之間，將該第一熱處理步驟後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度；進行一第三熱處理步驟：在加熱温度1000±100℃之間，將該第二熱處理步驟後之板胚進行水淬；以及進行一第四熱處理步驟：在加熱温度750±50℃之間，將該第三熱處理步驟後之板胚進行換向滾軋，使該板胚之第二厚度減至第三厚度；對該軋製製程後之該板材進行一時效熱處理而完成一鈦合金板材，其中該時效熱處理是指熱處理溫度為300~750℃，熱處理時間為2~8hr；其中該鈦合金板材由以下成份所組成：1~4wt%的鋁、7~10wt%的釩、4~7wt%的鉻、3~5wt%的鉬、2~6wt%的鋯、0.5~1.5%的鐵、0.03wt%以下的氮、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質。
  6. 一種使用專利申請範圍第1項所述之鈦合金板材製造方法所 製造的鈦合金板材，以其總重為100wt%計算，該鈦合金板材包括以下成份：1~4wt%的鋁、7~10wt%的釩、4~7wt%的鉻、3~5wt%的鉬、2~6wt%的鋯、0.5~1.5%的鐵、0.03wt%以下的氮、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質。
  7. 根據專利申請範圍第6項所述之鈦合金板，其中該鈦合金板材包括一外層及一內層，該外層的金相為強化的α相為主，作為抗衝擊強度層；而該內層的金相則為αβ雙相混合的材料結構，作為柔韌層；以及，該鈦合金板材更包括一過渡層，該過渡層的金相為αβ雙相混合，但以α相為主搭配少量β相；該內層的金相為αβ雙相混合，但以β相為主搭配少量α相；以及，該外層的金相主要以α相為主。
  8. 一種使用專利申請範圍第1項所述之鈦合金板材製造方法所製造的鈦合金板材，以其總重為100wt%計算，該鈦合金板材由以下成份所組成：1~4wt%的鋁、7~10wt%的釩、4~7wt%的鉻、3~5wt%的鉬、2~6wt%的鋯、0.5~1.5%的鐵、0.03wt%以下的氮、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質。
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