JP2008095179A - 基体の被覆用の方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つの内部通路を有する基体、例えばタービンの内部を耐熱性の物質で均一に被覆させる方法と装置を提供する。
【解決手段】反応容器２の反応空間２１に設置した基体、例えばタービン内部について外部供給源７から供給したアルミニウム系加工用ガスを内部発生器４に通して反応性を高め、反応性を高めたガスを各通路につき各々調節した流量で通過させることにより基体１０内部にアルミニウムを蒸気相から化学的蒸着させて均一に被覆する方法および装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、各カテゴリーにおける独立請求項の前提部分に従い、少なくとも１つの内部通路を有する基体を被覆する際の方法および装置に関し、当該被覆は蒸気相からの化学的蒸着相により生じる。

この特別な場合において、本発明は、複雑な内部構造を有する基体、特に冷却通路を備え、好ましくは金属性被覆を伴うタービン翼を提供するのに適した方法および装置に関する。

例えば飛行機用のエンジンまたは地上の工業用ガスタービンのようなものに使用されるタービンの運転において、目的とするのは燃焼により生じる気体の温度をできるだけ高めることで、これはタービンの効率は温度が高いほどより良いからである。そこで主にタービンの高温度部分では、一方で相当な高温度になっても非常に良好な機械的特徴を依然有する材料として金属性化合物を選び、他方では例えばタービン翼のような部品を内部通路により積極的に冷却し、および／またはそれらに保護層を付与するのが通常である。

一般的に、通常ニッケルに基づくまたはコバルトに基づく合金である超合金がタービンの最も熱負荷がかかる部品用の材料として使用される。これらの超合金は確かに超高温で非常に高い強度を有しているが、しかしながら酸化に対する抵抗性および高温腐蝕に対する抵抗性に関する特性はタービンの侵襲性雰囲気ではしばしば充分ではない。この問題を解決するためには酸化に対する非常に強い抵抗性および高温腐蝕への抵抗性を有する層を備えた超合金を供することが知られている。

超合金で作られた基体での耐高温腐蝕性および耐酸化抵抗性の層の作成には、例えば好ましくは金属性被覆、特にアルミナイド（アルミ化物）を使用することが知られている。この目的には基体の内部と外部の表面をアルミナイズ処理（アルミ化処理）するのが必要である。

とりわけ内側表面または内側冷却通路の被覆はしかしながら簡単ではない。当タービン翼の内部構造は非常に複雑で、通常非常に狭い通路を通らなければ到達できない。他方非常な高温では内部通路の被覆は必要で、さもなければ運転中に急速に酸化されてしまうであろう。狭く曲がりくねった通路で酸化物が生じるので、堆積するに従ってそれは冷却媒体用の流路直径が減少し、それは冷却の効率が低下することを意味する。これから劣化過程の悪化が生じる。

当該被覆用、特に当該内部通路およびおよび通路のアルミナイズ処理用には幾つか既知の方法があるが、しかしながらこれらには欠点がある。

既知の方法はパック拡散浸透法で、そこでは被覆する表面にアルミニウム源と同時に化学的転位媒体として揮発性ハロゲン化物を含有する微細な粉末中に埋め込む。当該拡散工程は通常少なくとも７００℃で起こる。この工程の欠点は当該粉末が僅かに通路または開口部を塞ぐ可能性があり、当該タービン翼の運転に必要な冷却空気が後でそこを流れなくなるか、流れにくくなる。

例えばＵＳ−Ａ−４，１３２，８１６に記載されている他の方法は“パックプロセスより優れた”という言葉で知られている。この処理では被覆する部品は粉体中には埋め込まれず、当該粉体上に張り出しておく。この方法は当該粉体と被覆する部品の間の接触を避けるので通路を詰まらせることが避けられるであろうが、当該通路の入口における被覆厚さが厚く、入口からの距離が大きくなるほど薄くなることが観測される。その上、内部通路と比較して外部表面についての被覆厚さと濃度の比の測定はかろうじてできるかまたは全然できない。当該不規則な被覆では当該タービン翼が使用できなくなる。

ＵＳ−Ａ−４，１４８，２７５に記載されている当該方法の改良法によると、内側と外側表面を同時に被覆するために反応装置中に２つのチャンバーが設けられている。層圧の測定および再現性は同様にここでも問題である。

特に内部通路被覆用の他の方法は、例えばＵＳ−Ａ−５，２６４，２４５に記載されているような蒸気またはガス相からの化学的蒸着法（ＣＶＰ）である。被覆する基体は反応容器に設置する。アルミニウムを含むガスを反応容器外で発生させるが、通常そこで固体アルミニウムを活性化ガス、原則として塩化物と反応させる。当該ハロゲン化アルミニウムガスを反応容器に移送し、その反応性に関して反応容器内で向上させる。例えば、比較的不安定な一塩化アルミニウムを三塩化アルミニウムから適した手段で発生させるが、それはアルミニウムの相対比が高く、より反応性がある。このガスはそれから基体の内部および外部表面と接触させ、それによりアリタイジングが起こる。内側表面の被覆用には別の入口が設けられ、そこからガスが基体の内部通路に直接流れ込み、そこを通過させて反応容器に入り、そこから排出される。

しかしながら、この方法は当該被覆の均一性、特に内部通路の均一性に関してまだ満足なものではない。

この先行技術から出発して本発明の目的は少なくとも１つの内部通路を有する基体の被覆用の方法および装置を提示するもので、特に外側表面または内部通路にてできるだけ均一な被覆を可能とするものである。

この目的の装置の態様および目的の方法の態様を満足させる本発明の主題は各範疇における独立請求項の特徴にて明らかにされる。

本発明により、少なくとも１つの内部通路を有する基体の被覆用の方法がそのために提示され、その方法において被覆は当該蒸気相からの化学的蒸着により起こり、当該基体は反応容器の反応空間にある固定装置に据えられ、そこに加工用ガスが外部源から送られるが、当該加工用ガスは当該反応容器にある内部発生器に供給されその中では当該加工用ガスの反応性が反応性変換材料を用いることにより増加され、そして当該加工用ガスは当該内部発生器から当該反応空間に運び出される。当該加工用ガスは当該反応空間から、少なくとも１つの内部通路を通り、そして固定装置を通って当該反応容器の出口へ排出される。

当該内部表面の被覆用の加工ガスをまず当該反応空間に持ち込み、その後少なくとも１つの内部通路を通して排出する手法により、驚くことに特に内部表面がかなりより均一で効果的に被覆できることが示された。

各内部通路を通過する当該加工ガスの流量は当該内部通路と当該固定装置間の流路接続部の形状により都合よく制御される。この目的のために当該固定装置は内部通路との流路接続である開口部を有するように設計されている。これらの開口が小さくまたは大きく作られることにより、当該加工ガスの流量−必然的に当該内部の加工用ガスの通路における滞留時間が制御方式にて調整できる。特に、異なる寸法（長さ、直径、曲率などのような）の複数の通路が基体に備わっていれば、当該異なる通路における相対流速に直接影響でき、この手法により調節方式となりうる。かくして、例えば当該固定装置中に異なる直径の通路により当該流量を調節するための規制を備えることができ、各通路にて当該加工ガスを同じ滞留時間であるようにする。

更なる有用な手法は当該反応空間をヘリウムで満たし、当該被覆の前に少なくとも１回排出させる。こうすれば被覆の間に望ましくない酸化を導く妨害残留空気を当該反応空間から効果的に除去できる。

当該方法を実施する好ましいやり方に従えば、当該被覆工程はアルミニウム被覆工程である。

反応性変換材料は好ましくは液体で、特に液体アルミニウムである。蒸着する材料の相当に高い濃度は液体材料、特に液体アルミニウムを用いる加工ガス中で作ることができ、それはより効果的な被覆を容易にすることが示された。

当該基体としては特にタービン翼でありえて、即ち例えば本発明による方法は特にタービン翼の外部および内部の表面の被覆に適している。

本発明によって更に、少なくとも１つの内部通路を有する基体の被覆用であり、その中で当該被覆を当該蒸気ガスから化学的蒸着により起こす装置が提示されるが、前記装置は反応空間を伴う反応容器を有し、その中には当該基体を収めるための固定装置が備えられていて、そこには当該反応容器中に外部源から導入可能な加工ガスの反応性を反応性変換材料を用いることにより増加するのに適し、当該反応空間に当該加工ガスを導入する際の出口を有する内部発生器を備えている。当該固定装置は当該反応容器の出口に接続されており、当該基体を収めるように設計され、当該工程ガスが当該基体の内部通路の少なくとも１つおよび固定装置を通って当該反応空間から当該出口へ流出できるようになっている。

この装置は、当該加工用ガスが少なくとも１つの内部通路を通って当該反応空間から導き出されるように設計されているので、本発明に従った方法に特に適している。

本発明による方法については既に述べた同じ理由から、好ましくは、当該内部通路と当該固定装置間の流路接続の形状が、当該装置の中の各内部通路において、当該加工ガスの所定の流量が各通路で実現できるように設計されている。

好ましい実施形態では当該固定装置は少なくとも１つのタービン翼を収納するように設計されている。

基体、特にタービン翼が本発明で示されているが、それは本発明による方法または本発明による装置を用いて被覆される。

更に有利な手段および好ましい手順は従属請求項群から生じる。
以下において、本発明をより詳しくは装置に関し、および技術的には方法に関して実施形態および図をもって説明することになる。

本発明により基体１０（図１）の被覆用の方法および装置が示され、それは少なくとも１つの内部通路を有している。当該被覆は加工ガスを用いた当該蒸気相からの化学的な蒸着（化学蒸着：ＣＶＰ）により生じる。ＣＶＰそのものは良く知られた工程で、その詳細は本明細書でより詳しくは説明しない。原理的には本発明による方法は全ての被覆に適しており、特に金属製被覆に関してＣＶＰにより製造することができる。本発明による方法では非常に複雑な構造を備えている内部表面および内部通路でさえも所定の厚さで被覆することが可能である。

以下では、一例として被覆する基体１０が飛行機のタービンまたは地上設置の工業用ガスタービンのタービン翼である場合を説明する。更に、当該タービン翼１０の外部および内部表面がアルミナイズされる、即ちアルミニウムが蒸気相から化学的に蒸着されるという実際に特に重要な場合を説明する。

図１は本発明による装置の実施形態を略図で示したもので、参照数字１で全体を示している。当該装置１には反応空間２１を備えた反応容器２が含まれ、その中には固定装置３が基体、ここでは複数のタービン翼１０を収納するために配置されている。当該固定装置３には通常複数の段、ここでは段３１，３２，３３が含まれ、その上に当該タービン翼１０が配置されている。

内部発生器４は更に当該反応器２内に備えられ、それによりＣＶＰ工程用に加工ガスの反応性を増加させる。当該内部発生器は出口４１を有し、それを通って当該加工ガスが当該内部発生器より当該反応空間２１に導かれる。他の点では当該発生器４は当該反応空間２１に対して密閉されている。

当該固定装置３は同時に当該加工ガスを送り出す役目をすると共にガス収集系としても設計されている。当該固定装置３はタービン翼１０（図２）毎にホルダー３４を有しており、これについてはより詳しく図２に示す。

図２に図示した実施形態では、当該タービン翼１０は２つの内部通路１０１，１０２を有し、そこを通って冷却空気が運転状態において流れる。当該内部通路１０１は当該タービン翼１０の入口の縁に沿って実質的には直線的に延びている。当該内部通路１０２は出口の縁から曲がりくねって当該タービン翼１０の内部を延びている。複数の冷却空気孔１０３が出口の縁に付いており、当該通路１０２に向いて開口している。当該タービンの運転状態では当該冷却空気は当該通路１０２を通って流れ、当該冷却空気孔１０３を通って入ってくる。

当該タービン１０用のホルダー３４は幾つかの機能を有している。一方では当該ホルダー３４は当該タービン翼１０をそれぞれの翼１０に適合するフランジ３４１で保持し、このフランジ３１は同時にタービン翼最下部のような被覆しない基体の部分を保護する役割をする。当該ホルダー３４は更にガス通路３４４を内部に有し、それを通して当該加工ガスは流れることができる。その上、誘導要素部品がホルダー３４に配され、当該ホルダー３４に向き合っている内部通路１０１，１０２の末端と連携して、それらが当該内部通路１０１，１０２と固定装置３の間にある流路接続部３４３ａおよび３４３ｂを形成しているので、当該加工用ガスは当該内部通路１０１，１０２から当該ガス通路３４４中に流れ出すことができる。

図１が示すように、当該ガス通路３４４は当該固定装置３の共通導管３５に結合している。この導管３５は当該反応容器２の床面上の出口５に通じ、ポンプ６と接続している。当該ポンプ６は例えば液封式ポンプまたは機械的真空ポンプである。ガス収集系として当該固定装置３を設計すると、本発明による当該装置１につき極めて小型で省容積な設計ができる。

加熱装置、アルゴンなどで当該反応空間を洗い流すための入口および出口などのそれ自身既知の当該反応容器２の他の構成成分は、例えばＣＶＤ技術で十分に知られているので本明細書ではこれ以上説明はしない。

図１で示すように、外部供給源７が当該加工ガス用に備えられており、供給導管７１を経由して当該反応容器の内部にある内部発生装置４に接続している。当該出発原料は外部供給源７に供給され−矢印７２と７３で示している如く−そこから当該加工ガスが発生する。当該供給源７はハロゲン化金属の製造用の従来の発生装置であってよい。

アルミナイズ処理の場合、ハロゲン化アルミニウム、例えば三塩化アルミニウムＡｌＣｌ_３または三フッ素化アルミニウムＡｌＦ_３を含有する加工用ガスを当該外部供給源７で発生させる。これはアルミニウムを加熱し、そののち相当する酸ハロゲン化物ガスを当該加熱アルミニウム上に導くという、それ自体は既知の方法で起こすことができる。この場合にはＡｌＣｌ_３を発生させるために塩酸ガスＨＣｌを供給口７２経由で当該供給源７に導入する。キャリヤーガス、通常水素Ｈ_２のような還元性ガスおよび／またはアルゴンＡｒ_２のような不活性ガスを供給口７３経由で追加的に導入することができる。このキャリヤーガスはこうしてＡｌＣｌ_３と共に加工ガスを形成し、当該供給導管７１を経由して当該反応容器２の内部にある内部発生装置４へと導入される。

当該内部発生装置４の目的は、被覆する表面により良い金属蒸着を行うために反応性変換材料を用いることによって加工ガスの反応性を増加させることである。本件の場合、当該加工ガス中の塩化アルミニウムの大部分はアルミニウムに富む形およびより活性相の塩化アルミニウムＡｌＣｌに転換される。ＡｌＣｌはＡｌＣｌ_３より極めて不安定であるので、当該反応容器２の内部にて初めてアルミニウムに富む相ＡｌＣｌが作られるのは特に有利である。ＡｌＣｌを高い比率で有するようになった加工用ガスは、そののち当該内部発生装置４から出口４１を経由して当該反応空間２１へと導かれる。

該外部供給源から出てくるＡｌＣｌ_３を含む加工用ガスをアルミニウム含有材料に（または加熱してから）与えることで、当該内部発生装置４中にてアルミニウムに富む塩化アルミニウムの発生による加工用ガスの反応性の増加が起こる。

可能な１つは内部発生装置４中にクロムアルミニウム（ＣｒＡｌ）チップを入れた１個以上の容器を備えることからなり、それらを始めに望ましい反応に好ましい温度まで加熱する。当該加工ガスをそののちこれらのＣｒＡｌチップの上に又はそれを通して供給し反応性を増加させる。当然他のアルミニウム合金も当該加工ガスの反応性を増加させるのに適している。

特に好ましい方法によれば液体金属、ここでは液体アルミニウムが当該内部発生装置４に供給され当該加工ガスの活性を増加させる。当該アルミニウムを１個以上の容器中で元素の形の融点以上に加熱するので、それは液相で存在する。当該外部供給源７から送られる加工用ガスをそれからこの液体アルミニウムの上に運ぶ。それに加えてできるだけ徹底的に当該加工用ガス中にアルミニウムが取り込めるように当該加工用ガスは当該内部発生装置４内の蛇行または曲がりくねった通路に効果的に導かれる。反応性変換材料として液体アルミニウムを用いると特に当該加工用ガス中に高比率のＡｌＣｌが発生でき、望ましい蒸着のための特に好ましい必要条件になることが示された。当該内部発生装置での当該液体アルミニウムの望ましくない反応を避けるために、当該液体アルミニウム用の容器は好ましくはグラファイト製である。

以下に本発明による当該方法の実施形態をここで説明することになる。始めに当該基体−ここでは当該タービン翼１０−をそれらに適応している当該固定装置３のホルダー３４に挿入する。そののち当該反応容器を密閉して１回から数回不活性ガス、例えばアルゴンで洗い流して、特に被覆時に望ましくない酸化を導くことがありうる厄介な空気または酸素の残留分を除去する。当該反応空間２１をヘリウムで少なくとも１回更に洗い流して、特に当該反応空間２１の上部に残る空気泡を支障ないように除去するのが有効であることが判明した。

被覆するタービン翼を当該反応に好ましい温度に加熱する。当該加工ガスを外部供給源７で発生させ、当該内部発生装置４に供給する。当該加工ガスの反応性を液体アルミニウムによりそこで増加させ、当該加工ガス中で相当割合の塩化アルミニウムＡｌＣｌを発生させる。この加工用ガスが当該出口４１を経由して当該反応空間２１に導かれ、そこで分散し当該タービン翼１０の外部表面の被覆が始まる。

当該加工用ガスは当該反応空間２１からポンプ６により当該冷却空気孔１０３（図２）および当該内部通路１０１，１０２を通して排出される。この工程で当該タービン翼１０の内部表面および内部通路１０１，１０２の被覆が起こる。最終的に当該加工用ガスは当該ガス通路３４４と共通ライン３５および通常加熱された出口５を経由して図示されていない冷却／冷凍捕集機に流れ込み、そこから同じように図示していない中和容器に流れ込む。

当該加工用ガスの流れは図１および図２で参照文字Ｐをつけた矢印で示してある。

当該被覆手順はこの実施形態では約１００ミリバールと１バールの間の圧力で行われる。当該加工用ガスは１０００℃以上、例えば１０８０℃に加熱される。

当該加工用ガスの流量、そして当該内部通路１０１，１０２と当該固定装置３のホルダー間の当該流路接続部３４３ａ、３４３ｂの形状により当該内部通路１０１，１０２の滞留時間を調節すると特に有利である。それ故に当該加工用ガスの相対流量は各内部通路についてそれぞれ調節可能である。当該異なる内部通路１０１，１０２はそれらの長さ、それらの直径またはそれらの曲率により非常に異なる流動抵抗を示すので、例えば当該流路接続部３４３ａ、３４３ｂの適切な寸法化すると、そこでは２つの内部通路１０１，１０２において実際上均一な厚さの被覆を生じるように当該加工用ガスの相対流量を調節する状態が達成できる。

このようにして系に関連する特有な特徴も考慮に取り入れることができる。そこで当該固定装置３のより低い段３１からはより上の段３３より多くの加工用ガスが吸い出される傾向を生じることが起こり得る。これはより低い段３１における流動抵抗を、例えば制約を加えることで高い段における負荷抵抗と比較して増加させ、当該低い段３１および上の段３３に配置したタービン翼１０の対応する内部通路で実質的に同じ相対的な流量および加工用ガスの滞留時間にすることで補うことができる。当該流動抵抗の調整はそれぞれ各ホルダー３４および段３１，３２，３３あたりの調節との組合わせで行われる。

当該タービン翼１０の冷却、特に最新のガスタービンの冷却では、これらタービン翼は異なる形状のガス流動経路を複数有する非常に複雑な内部表面、例えば開口、通路、回路または室をよく備えているので、極度に異なるガス流動の特性が生じる。全てのこれら内部表面を満足なように被覆するための必要条件は非常に異なりうる。当該ガス流動の特性は、例えば被覆する通路の長さ、面積、容積を測定することで実験的または理論的に分析できる。当該被覆の望ましい厚さとの関係で、加工用ガス相対流量は当該内部通路のそれぞれにつき他の内部通路との比較で計算できる。当該分析を活用して各内部通路についての加工用ガスの流量を、望ましい加工用ガス流量がその通路を通るように個々に調整できる。細かい調節は経験的にすることができる。

既に述べたように当該内部通路を通る個々の流量の調節は、ホルダー３４または当該加工用ガスの望ましい相対流量が生じるように寸法を定めた固定装置３中の開口により好ましく行われる。

所定の内部通路で他の内部通路より厚いまたは薄い被覆を生じるように、相対流量を対応して調整することによって、本発明に従った方法を実施することも当然可能である。

本発明によれば、特に少なくとも１つの内部通路を有する空洞な基体の内部表面の被覆も可能とする方法および装置が提案される。更に当該加工用ガスを当該反応空間２１に導入し、そののち当該反応容器の出口への接続を経由して当該基体の少なくとも１つの内部通路を通して当該反応空間２１の外へ排出する。この手法により所定の厚さの均一被覆を当該内部表面で達成することもできる。

本発明による装置の実施形態の重要な部分の略図であり、これは本発明による方法を実施するのに適している。 内部通路を備えたタービン翼の図であり、それは固定装置に収納されている。

符号の説明

１ 本装置
２ 反応容器
３ 固定装置
４ 内部発生装置
５ 反応容器の出口
６ ポンプ
７ 外部供給源
１０ 基体
２１ 反応空間
３１ 段
３２ 段
３３ 段
３４ ホルダー
３５ 導管
４１ 内部発生器の出口
７１ 供給導管
７２ 供給口
７３ 供給口
１０１ 内部通路
１０２ 内部通路
１０３ 冷却空気孔
３４１ フランジ
３４３ａ 流路接続部
３４３ｂ 流路接続部
３４４ ガス通路

Claims (10)

1. 少なくとも１つの内部通路（１０１，１０２）を有する基体の被覆方法であって、被覆が蒸気相から化学的蒸着により生じ、基体（１０）が反応容器（２）の反応空間（２１）中にある固定装置（３）上に配置されており、加工用ガスが外部供給源（７）から供給され、当該加工用ガスは当該反応容器（２）中の内部発生装置（４）に供給されて、その中で当該加工用ガスの反応性が反応性変換材料を用いることにより高まり、そして当該加工用ガスは当該内部発生装置（４）から当該反応空間（２１）に送られるが、当該加工用ガスは当該少なくとも１つの内部通路（１０１，１０２）および当該固定装置（３）を通過して当該反応空間（２１）から当該反応容器（２）の出口（５）へと排出されることを特徴とする、上記方法。
2. 各内部通路（１０１，１０２）を通る当該加工用ガスの流量が当該内部通路（１０１，１０２）と当該固定装置（３）の間の流路接続部（３４３ａ，３４３ｂ）の形状で調節される、請求項１記載の方法。
3. 当該被覆に先立ち、当該反応空間（２１）を少なくとも１回ヘリウムで満たしそして排出する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 当該被覆工程がアルミニウム被覆工程である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 当該反応性変換材料が液体であり、特に液体アルミニウムである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 当該基体がタービン翼（１０）である請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 少なくとも１つの通路（１０１，１０２）を有し、その中で当該蒸気相から化学的蒸着により被覆が行われる、基本の被覆用の装置であって、当該装置は、基体（１０）を収納するための固定装置（３）を備えた反応空間（２１）を伴った反応容器（２）を有し、そこには外部供給源（７）から供給できる加工用ガスの反応性を反応性変換材料を用いることにより高めるのに適している内部発生装置（４）が当該反応容器内に備わり、当該加工用ガスを当該反応空間（２１）に導入するための出口（４１）有しており、当該固定装置（３）は当該反応容器（２）の出口（５）に接続され、当該加工用ガスが当該基体（１０）の少なくとも１つの内部通路（１０１，１０２）および当該固定装置（３）を通って反応空間（２１）から出口（５）に流出できるように当該基体（１０）が収納されるように設計がされていることを特徴とする、上記装置。
8. 各内部通路（１０１，１０２）につき、当該通路と当該固定装置の間の流路接続部（３４３ａ，３４３ｂ）の形状が、それぞれの通路（１０１，１０２）を通る加工用ガスの所定の流量が実現できるように設計されている、請求項７記載の装置。
9. 当該固定装置（３）が少なくとも１つのタービン翼（１０）を収納するように設計されている請求項７又は８に記載の装置。
10. 請求項１から６のいずれか一項に記載の方法を用いることにより、又は請求項７から９のいずれか一項に記載の装置を用いることにより被覆される基体、特にタービン翼。

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