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DE102006061977A1 - Method and apparatus for thermal spraying - Google Patents

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DE102006061977A1
DE102006061977A1 DE102006061977A DE102006061977A DE102006061977A1 DE 102006061977 A1 DE102006061977 A1 DE 102006061977A1 DE 102006061977 A DE102006061977 A DE 102006061977A DE 102006061977 A DE102006061977 A DE 102006061977A DE 102006061977 A1 DE102006061977 A1 DE 102006061977A1
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DE
Germany
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cooling
coating
substrate
layer
burner
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102006061977A
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German (de)
Inventor
Robert Prof. Dr. Vaßen
Karl-Heinz Rauwald
Detlev Prof. Dr. Stöver
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Publication date
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Priority to EP07856100.8A priority patent/EP2104748B1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens, bei dem nach dem Spritzübergang eine Kühlung der abgeschiedenen Schicht und auch des Substrats erfolgt. Erfindungsgemäß erfolgt eine definierte Kühlung der abgeschiedenen Schicht und auch des Substrats derart, dass im Mittel ein Temperaturniveau von mindestens 200 K oberhalb der Umgebungstemperatur im Schicht-/Substratverbund vorliegt. Vorteilhaft vergeht zwischen dem Spritzübergang und der definierten Kühlung dieser abgeschiedenen Schicht eine Zeitspanne von weniger als 100 ms, insbesondere in weniger als 10 ms und insbesondere zwischen 0,1 und 5 ms nach dem Spritzübergang. Das erhöhte Temperaturniveau verbunden mit der definierten Kühlung nach dem Aufbringungsvorgang ermöglicht durch dieses Verfahren einerseits die Herstellung dünner, gasdichter Schichten < 100 µm sowie andererseits auch dickerer Schichten (> 100 µm) mit einer hohen Segmentationsrissdichte.The invention relates to a method for coating a substrate by means of a thermal spraying method, in which, after the transfer transition, cooling of the deposited layer and also of the substrate takes place. According to the invention, a defined cooling of the deposited layer and also of the substrate takes place in such a way that on average there is a temperature level of at least 200 K above the ambient temperature in the layer / substrate composite. Advantageously passes between the splash transition and the defined cooling of this deposited layer a period of less than 100 ms, in particular less than 10 ms and in particular between 0.1 and 5 ms after the spray transition. The increased temperature level associated with the defined cooling after the application process allows by this method, on the one hand, the production of thin, gas-tight layers <100 microns and on the other hand thicker layers (> 100 microns) with a high Segmentationsrissdichte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren, insbesondere ein thermisches Spritzverfahren sowie eine dafür geeignete Vorrichtung.The The invention relates to a coating method, in particular a thermal spraying method and a device suitable for this purpose.

Stand der TechnikState of the art

Mit Hilfe von Beschichtungsverfahren werden eine einzelne oder auch mehrere festhaftende Schichten aus formlosem Material auf die Oberfläche eines Werkstückes aufgebracht. Dabei kann es sich um eine dünne Schicht oder eine dicke Schicht handeln, die Unterscheidung ist nicht genau definiert und orientiert sich am Beschichtungsverfahren und Anwendungszweck.With Help of coating processes become a single or even several adherent layers of shapeless material on the surface of a workpiece applied. This can be a thin layer or a thick Act shift, the distinction is not well defined and oriented on the coating process and application.

Die Beschichtungsverfahren selbst unterscheiden sich einerseits in der Art der Schichtaufbringung in chemische, mechanische, thermische und thermomechanische Verfahren, und andererseits nach dem Ausgangszustand des aufzubringenden Materials. Hier unterscheidet man insbesondere das gasförmige Aufbringen, wie beispielsweise über die chemische Gasphasenabscheidung (auch CVD von engl. chemical vapor deposition) oder die physikalische Gasphasenabscheidung (auch PVD von engl. physical vapor deposition), die flüssige Aufbringung, wie beispielsweise beim Lackieren, Spritzen und thermischen Spritzen inklusive dem Flammspritzen, dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, dem Drahtlichtbogenspritzen sowie dem Plasmaspritzen und auch die feste Aufbringungsart wie bei Sinterverfahren.The Coating processes themselves differ on the one hand in the Type of coating application in chemical, mechanical, thermal and thermomechanical processes, and on the other hand, the initial state of the material to be applied. Here one differentiates in particular the gaseous Apply, such as over the chemical vapor deposition (also CVD of English chemical vapor deposition) or the physical vapor deposition (also PVD from engl. physical vapor deposition), the liquid application, such as during painting, spraying and thermal spraying including the Flame spraying, the high-speed flame spraying, the wire arc spraying as well as the plasma spraying and also the firm application method like in sintering process.

Unter dem Begriff des thermischen Spritzens versteht man unterschiedliche Spritzverfahren, welche sich durch die Art des Spritzzusatzwerkstoffes (Draht bzw. Pulver), der Fertigung oder des Energieträgers unterscheiden.Under The term thermal spraying is understood to mean different Spraying, which is characterized by the nature of the spray additive (wire or powder), the production or the energy carrier.

Als Energieträger für die An- oder Aufschmelzung des Spritzzusatzwerkstoffes dienen in der Regel elektronischer Lichtbogen, Laserstrahl, Brenngas-Sauerstoff-Flamme bzw. Kerosin-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme, hochkinetische Gase und der Plasmastrahl. Die Dichte der Beschichtung, die Haftfestigkeit der Spritzschicht und die Haftzugfestigkeit zwischen Beschichtung und Grundwerk stoff ergeben sich in der Regel aus der Energie, welche mit der Partikelgeschwindigkeit und -temperatur gekoppelt ist.When fuels for the On or melting of the spray additive serve in the Usually electronic arc, laser beam, fuel gas-oxygen flame or kerosene-oxygen high-velocity flame, high-kinetic gases and the plasma jet. The density of the coating, the adhesion of the sprayed layer and the adhesion between Coating and base material usually result from the Energy, which coincides with the particle velocity and temperature is coupled.

Thermische Spritzverfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass das für die Beschichtung vorgesehene Material in Form von schmelzfähigen Partikeln auf ein Substrat trifft und dort eine Schicht ausbildet. Sowohl die zur Erzeugung der schmelzflüssigen Partikel genutzten thermischen Energiequellen, wie Plasmen, Lichtbögen oder Verbrennungsprozesse sowie der thermische Energieinhalt der Partikel selbst, führen regelmäßig zu einer Erwärmung des Substrates. Diese Erwärmung hat häufig negative Folgen, wie Verzug, Korrosion oder Oxidation des Substrates.thermal Spray processes are characterized in that for the coating envisaged material in the form of meltable particles on a substrate meets and trains a shift there. Both to the generation the molten one Particle used thermal energy sources, such as plasmas, arcs or Combustion processes and the thermal energy content of the particles themselves, to lead regularly to one warming of the substrate. This warming has often negative consequences, such as distortion, corrosion or oxidation of the substrate.

Aus diesem Grund wird typischerweise beim thermischen Spritzen eine Kühlung eingesetzt. Die verwendete Kühlung erfolgt in der Regel über Kühldüsen, durch die das Substrat mit einem Kühlmedium, wie z. B. Pressluft, angeblasen wird. Die Kühldüsen sind dabei feststehend auf das Substrat gerichtet oder sie sind neben dem Brenner angeordnet und bewegen sich dementsprechend mit diesem mit. Aus WO 2004005575 ist eine Vorrichtungen zur Innenbeschichtung von Hohlräumen durch thermisches Spritzen mit zwei Kühllanzen bekannt, die auf gegenüberliegenden Seiten des Brenners angeordnet sind. Zum Teil werden auch beide Kühlverfahren gleichzeitig eingesetzt. Es sind aus C. Coddet, Surface & Coatings Technology 201 (2006) 1969-1974 auch Kühlverfahren bekannt, die in Verbindung mit Vorheizverfahren vor dem thermischen Spritzen eingesetzt werden. Diese dienen dem Temperaturmanagement in den Schicht/Substratverbunden und sind darauf ausgerichtet, die Substrattemperatur auf dem Umgebungs-(Raumtemperatur-)niveau zu halten.For this reason, cooling is typically used in thermal spraying. The cooling used is usually via cooling nozzles, through which the substrate with a cooling medium, such as. B. compressed air is blown. The cooling nozzles are fixedly directed to the substrate or they are arranged next to the burner and move accordingly with this. Out WO 2004005575 For example, a device for internal coating of cavities by thermal spraying with two cooling lances is known, which are arranged on opposite sides of the burner. In part, both cooling methods are used simultaneously. It's over C. Coddet, Surface & Coatings Technology 201 (2006) 1969-1974 Also known cooling methods that are used in conjunction with preheating prior to thermal spraying. These are for temperature management in the layer / substrate interconnections and are designed to maintain the substrate temperature at the ambient (room temperature) level.

Aufgabe und LösungTask and solution

Aufgabe der Erfindung ist es ein Beschichtungsverfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Herstellung von Schichten mit einem guten Verbund der einzelnen Spritzlamellen ohne Vorheizverfahren erlaubt und so auf einfache Weise einerseits eine Abscheidung von hochdichten, dünnen Schichten aber auch von dickeren, segmentierten Schichten ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.task The invention is a coating method available which makes the production of layers with a good bond of allowed individual splash blades without preheating and so on simple way, on the one hand, a deposition of high-density, thin layers but also allows for thicker, segmented layers. It is another object of the invention to provide a device for carrying out this Provide method.

Die Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zum Beschichten mit der Gesamtheit der Merkmale des Hauptanspruchs, sowie durch eine Vorrichtung zum Beschichten gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung ergeben sich aus den jeweils darauf zückbezogenen Unteransprüchen.The Tasks are solved by a method of coating with the entirety of the features of the main claim, and by a device for coating according to additional claim. Advantageous embodiments the method according to the invention as well as the device result from the respective draw-dependent subclaims.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass die Art der Kühlung des Substrates, bzw. der abgeschiedenen Schichten einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis der Schichtausbildung der Beschichtung hat. Es hat sich herausgestellt, dass sich eine Kühlung des Substrates bzw. einer schon abgeschiedenen Schicht vor der Beschichtung als nachteilig erweist, während die unmittelbare direkte Kühle im Anschluss an den Beschichtungsvorgang deutliche Vorteile zeigt.In the context of the invention, it has been found that the type of cooling of the substrate or of the deposited layers has a decisive influence on the result of the layer formation of the coating. It has been found that cooling the substrate or an already deposited layer before coating proves to be disadvantageous, while the immediate direct cooling after the coating process shows significant advantages.

Bei der vorliegenden Erfindung wird bei der Beschichtung so verfahren, dass eine Kühlung derart gesteuert wird, dass ausschließlich nur die Bereiche gezielt gekühlt werden, in denen unmittelbar vorher eine Beschichtung durchgeführt wurde. Zweckmäßig lässt sich dies zum Beispiel so realisieren, dass der Einsatz der am Brenner befestigten Kühldüsen mit der Brennerbewegung abgestimmt wird.at In the coating process of the present invention, that a cooling is controlled so that only the targeted areas chilled in which a coating has been applied immediately before. Appropriately, can be So for example, realize that the use of the burner attached cooling nozzles with the Burner movement is tuned.

Eine erste Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass ein Brenner mit einer Kühldüse eingesetzt wird, wobei sich die Kühldüse relativ zur Bewegungsrichtung des Brenners bezogen auf das Substrat hinter dem Brenner befindet. Beim Überfahren des Substrates wird nun diese Kühldüse aktiviert, so dass die Kühlung immer nur den gerade aufgebrachten Spritzfleck ankühlt. In dieser Ausgestaltung wird das Substrat jeweils nur in einer Richtung überfahren.A first embodiment of the method provides that a burner with a cooling nozzle used is, with the cooling nozzle relative to the direction of movement of the burner relative to the substrate behind located on the burner. When driving over the Substrates, this cooling nozzle is now activated, so the cooling always cool only the just applied spray spot. In In this embodiment, the substrate is run over only in one direction.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Brenner mit wenigstens zwei Kühldüsen vorgesehen. Während der Beschichtung wird jedoch nur jeweils die Kühldüse aktiviert, die sich in Bewegungsrichtung hinter dem Brenner befinden. Dies ermöglicht vorteilhaft ein Überfahren des Substrates wenigstens in zwei Richtun gen, z. B. in Form eines Mäanders. Anlagentechnisch kann dies erreicht werden durch eine Ventilsteuerung der Kühldüsen entsprechend der Brennerbewegung.In Another embodiment is a burner with at least two Cooling nozzles provided. During the Coating, however, only the cooling nozzle is activated, which is behind in the direction of movement to the burner. this makes possible advantageous overriding of the substrate in at least two directions, e.g. B. in the form of a Meander. In terms of plant technology, this can be achieved by a valve control the cooling nozzles accordingly the burner movement.

Auf zylindrische Proben oder komplex geformte Bauteile, wie Turbinenschaufeln, lässt sich das Verfahren entsprechend übertragen. Ebenso können mehrere Kühldüsen angebracht sein, so dass auch ein Überfahren in mehreren Raumrichtungen möglich wird, sofern eine entsprechende Steuerung der Kühldüsen für eine definierte nachgeschaltete Kühlung des soeben abgeschiedenen Spritzflecks sorgt.On cylindrical samples or complex shaped components, such as turbine blades, that can be Transfer procedure accordingly. Likewise several cooling nozzles attached be, so also a run over possible in several directions is provided that a corresponding control of the cooling nozzles for a defined downstream cooling the just deposited spray spot provides.

Als Kühlmedien kommen sowohl Gase, wie CO2, Pressluft, Stickstoff, Helium oder Wasserdampf, als auch Flüssigkeiten, wie Wasser, in Frage. Ferner ist ein Feststoff, wie z. B. CO2-Schnee, ebenfalls geeignet.Suitable cooling media are both gases, such as CO 2 , compressed air, nitrogen, helium or water vapor, as well as liquids, such as water in question. Further, a solid such. As CO 2 snow, also suitable.

Die gezielte Kühlung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Schichtausbildung der Beschichtung. Durch die ausschließliche Kühlung im Nachgang wird vermieden, dass die bereits abgeschiedene Schicht, bzw. das Substrat, unmittelbar vor der Schichtabscheidung gekühlt wird. Zudem wird die Substrattemperatur durch die gezielte Kühlungsdosierung so eingestellt, dass auch nach der Kühlung eine gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Temperatur vorliegt. Beim ersten Spritzvorgang kann dies vorteilhaft durch ein Vorheizen mit dem Brenner ohne Partikelinjektion erfolgen. Durch die damit gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Temperaturen des Substrats wird nun erreicht, dass die neu abgeschiedenen Schichten sich vorteilhaft mit einer hohen Dichte abscheiden können. Die nachfolgende, gezielte Kühlung führt nun dazu, dass die zulässigen Temperaturen des Substrates nicht überschritten werden, andererseits aber ein genügend hohes Temperaturniveau eingestellt werden kann, um eine Schichtabscheidung mit hoher Dichte zu erreichen. Die Temperaturen des Substrates liegen vorteilhaft 200 bis 800 K oberhalb der Umgebungstemperatur, idealerweise zwischen 300 und 600 K über der Umgebungstemperatur. Damit lassen sich auch ohne die hohe Temperaturbelastung des Substrates und die damit verbundenen negativen Folgen, wie Verzug, Korrosion oder Oxidation hochdichte, relativ dünne, typischerweise kleiner als 100 μm dicke Schichten abscheiden.The targeted cooling has a decisive influence on the stratification of the Coating. By the exclusive cooling afterwards it is avoided that the already deposited layer, or the substrate, directly cooled before the layer deposition becomes. In addition, the substrate temperature is due to the targeted cooling dosing adjusted so that even after cooling one opposite the Ambient temperature increased temperature is present. In the first injection, this can be advantageous by preheat with the burner without injecting particles. By the opposite increased in the prior art Temperatures of the substrate is now reached that the newly deposited Layers can advantageously deposit with a high density. The subsequent, targeted cooling leads now to that the allowable temperatures of the substrate are not exceeded, on the other hand, one enough high temperature level can be adjusted to a layer deposition to achieve high density. The temperatures of the substrate are advantageously 200 to 800 K above the ambient temperature, ideally between 300 and 600 K over the ambient temperature. This can be done without the high temperature load of the substrate and the associated negative consequences, such as distortion, corrosion or oxidation high density, relatively thin, typically smaller as 100 μm deposit thick layers.

Bei abgeschiedenen Schichten mit einer Schichtdicke von mehr als 100 μm wird zudem eine andere vorteilhafte Mikrostruktur erreicht. Die intensive, gezielte Kühlung unmittelbar direkt nach der Schichtabscheidung führt zu einem sehr schnellen Abkühlen und damit zu einem hohen Zugspannungsniveau in der Schicht. Dies wiederum hat eine hohe Dichte an Segmentierungsrissen zur Folge. Soll dieser Mechanismus aktiviert werden, ist eine genaue Ausrichtung der Kühldüsen erforderlich, so dass das Kühlmedium unmittelbar nach der Abscheidung auf die Schicht trifft. Typische Abstände zwischen Spritzfleck und dem Maximum des Kühlstroms liegen im Millimeterbereich. Bei einer Brennergeschwindigkeit von 1 m/s ergeben sich damit Zeiten zwischen der Abscheidung und dem Einsetzen der externen Kühlung im Millisekundenbereich. In dieser Zeit hat der Temperaturübergang von dem abgeschiedenen Spritzpartikel (Splat) auf das Substrat regelmäßig noch nicht vollständig stattgefunden. Das heißt, dass die Temperatur des Splats in dieser Zeit noch deutlich über der Substrattemperatur liegt, und die gewählte Konfiguration zu einer deutlichen Erhöhung des Zugspannungsniveaus in der abgeschiedenen Schicht führt. Die Zeit zum Abkühlen der Splats lässt sich aus der Lamellendicke, die typischerweise bei 5 μm liegt, geteilt durch die Wurzel der thermischen Diffusivität (materialabhängig, typisch 10–6 m2/s) abschätzen, was etwa 5 ms ergibt.In the case of deposited layers with a layer thickness of more than 100 μm, another advantageous microstructure is additionally achieved. The intensive, targeted cooling immediately after the layer deposition leads to a very rapid cooling and thus to a high level of tensile stress in the layer. This in turn results in a high density of segmentation cracks. If this mechanism is to be activated, precise alignment of the cooling nozzles is required so that the cooling medium strikes the layer immediately after deposition. Typical distances between the spray spot and the maximum of the cooling flow are in the millimeter range. At a burner speed of 1 m / s, this results in times between the deposition and the onset of external cooling in the millisecond range. During this time, the temperature transfer from the separated spray particle (splat) to the substrate has not yet taken place regularly. That is, the temperature of the splat at this time is still significantly above the substrate temperature, and the chosen configuration leads to a significant increase in the tensile stress level in the deposited layer. The cooling time of the splats can be estimated from the lamella thickness, which is typically 5 μm, divided by the root of the thermal diffusivity (depending on the material, typically 10 -6 m 2 / s), which gives about 5 ms.

Die gezielte Kühlung beinhaltet des Weiteren, dass der Durchmesser des Stromes des Kühlgasmediums abgestimmt ist auf die Spritzfleckgröße. Idealerweise sollte der gekühlte Bereich nicht größer als der Spritzfleck sein. Für typische Spritzfleckgrößen von einigen Millimetern sollte entsprechend das Profil des Kühlstroms nur einige Millimeter im Durchmesser sein. Dies kann z. B. durch Verwendung geeigneter Düsen mit geringem Durchmesser und mit geringer Divergenz des Kühlmediums nach dem Austritt erreicht werden. Zudem ist es günstig, den Austritt des Kühlmediums aus der Düse möglichst nahe an den Bereich des Spritzflecks zu legen. Dies lässt sich z. B. durch hochwarmfeste Materialien, wie Keramikrohre, realisieren.The targeted cooling further includes that the diameter of the flow of the cooling gas medium is matched to the spray spot size. Ideally, the cooled area should not be larger than the spray spot. For typical spray spot sizes of a few millimeters, the profile of the cooling flow should accordingly be only a few millimeters in diameter. This can be z. B. by using suitable nozzles with a small diameter and with low divergence of the cooling medium can be achieved after the exit. In addition, it is favorable to place the exit of the cooling medium from the nozzle as close as possible to the area of the spray spot. This can be z. B. by high temperature resistant materials, such as ceramic pipes realize.

Des Weiteren ist es günstig, die Ausrichtung der Kühldüse zur Brennerachse dergestalt vorzunehmen, dass beide Achsen gegeneinander geneigt sind und vom Schicht/Substrat-Verbund reflektiertes Kühlmedium nur zu einem geringen Anteil in den Heißgasbereich des Brenners geführt wird. Damit wird wiederum der Partikelverbund erhöht. Entsprechend sollten gemäß 2, Winkel A kleiner 90°, vorzugsweise zwischen 30 und 60° sowie für Werte für den Winkel B, kleiner 90°, vorzugsweise zwischen 30 und 60°, genommen werden.Furthermore, it is favorable to make the alignment of the cooling nozzle to the burner axis in such a way that both axes are inclined towards each other and reflected by the layer / substrate composite cooling medium is guided only to a small extent in the hot gas region of the burner. This in turn increases the particle composite. Accordingly, according to 2 , Angle A less than 90 °, preferably between 30 and 60 ° and for values for the angle B, less than 90 °, preferably between 30 and 60 °, are taken.

Es ist bekannt, dass Schichten mit Segmentierungsrissen häufig zusätzlich auch Delaminationsrisse aufweisen, d. h. Risse zwischen den Schichten des Verbundes, die zu einem frühzeitigen Versagen der Schicht führen können. Durch die hohen Substrattemperaturen bei der Schichtabscheidung wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlung jedoch regelmäßig ein sehr guter Verbund zwischen den Spritzlamellen erzielt und damit die Neigung zu Delaminationsrissen deutlich herabgesetzt.It It is known that layers with segmentation cracks are common as well Have delamination cracks, d. H. Cracks between the layers of the Connected to an early Failure of the layer lead can. Due to the high substrate temperatures during the layer deposition However, when using the cooling according to the invention is a regular one achieved very good bond between the spray lamellae and thus the tendency to Delaminationsrissen significantly reduced.

Die Wahl des Materials der Beschichtung hängt unter anderem vom Anwendungszweck der Beschichtung ab. Als besonders geeignetes Material für eine ionenleitende Membran für einen Festelektrolyt-Brennstoffzelle ist mit Yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) zu nennen. Ebenso kann an Stelle des YSZ aber auch ein anderer Werkstoff, wie ein mischleitendes Oxid (z. B. ein Perowskit auf LaxSr1-xFeyCo1-yO3-Basis oder BaxSr1CoyFe1-yO3 mit x, y = 0 bis 1, z. B. in der Anwendung einer Gasseparationsmembran oder auch ein Protonenleiter, wie ein Perowskit auf SrZrxY1-xO3- oder BaCexGd1-xO3-Basis mit x = 0 bis 1, typisch 0,3 bis 0,7) verwendet werden.The choice of the material of the coating depends inter alia on the application of the coating. A particularly suitable material for an ion-conducting membrane for a solid electrolyte fuel cell may be mentioned with yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ). Likewise, instead of the YSZ, it is also possible to use another material, such as a mixed-conducting oxide (for example, a La x Sr 1-x Fe y Co 1 -y O 3 perovskite Ba x or Ba x Sr 1 Co y Fe 1). y O 3 with x, y = 0 to 1, for example in the application of a gas separation membrane or else a proton conductor, such as an SrZr x Y 1-x O 3 or BaCe x Gd 1-x O 3 perovskite based perovskite with x = 0 to 1, typically 0.3 to 0.7).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch dichte, isolierende Schichten hergestellt werden, z. B. unter Verwendung von Pulvern umfassend Aluminiumoxid, Spinellverbindungen, Steatite, Forsterite, Porcelan, Pyrochlore, Mullite, Magnesiumoxid, Zirkon, Zirkonoxid (unstabilisiert und stabilisiert) sowie Titanoxid.With the method according to the invention can also dense, insulating layers are produced, for. More colorful Use of powders comprising alumina, spinel compounds, Steatite, Forsterite, Porcelan, Pyrochlore, Mullite, Magnesium Oxide, Zirconia, zirconia (unstabilized and stabilized) and titanium oxide.

Ebenso ist die Herstellung von dichten keramischen oder metallischen Schutzschichten zur Vermeidung von Korrosion und Oxidation möglich.As well is the production of dense ceramic or metallic protective coatings to avoid corrosion and oxidation possible.

Als Aufbringungsverfahren können neben dem Plasmaspritzen auch andere thermische Spritzverfahren, wie beispielsweise das Hochgeschwindigkeitsflamm spritzen, unter Verwendung der dargelegten Kühlung im Nachgang zur Abscheidung hochdichter Schichten bei geringer thermischer Belastung des Substrates verwendet werden.When Application methods can In addition to plasma spraying, other thermal spraying methods, such as the high-speed flame, under Use of the stated cooling after the deposition of high-density layers at low thermal Load of the substrate can be used.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet die Vorteile eines insgesamt erhöhten Temperaturniveaus des Substrates mit einer unmittelbar auf die Spritzfleckaubfbringung folgenden definierten Kühlung zur Erzielung besonders vorteilhafter gasdichter, dünner oder auch hochgradig segmentierter dickerer Schichten.The inventive method combines the advantages of an overall increased temperature level of the Substrates with a direct on the Spritzfleckaubbringung following defined cooling to achieve particularly advantageous gas-tight, thinner or also highly segmented thicker layers.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigenfollowing The subject of the invention is based on figures and embodiments explained in more detail, without that the subject of the invention is limited thereby. Show it

1: Anordnung und Aktivierung der Kühldüsen bezogen auf den Brenner, bei unterschiedlicher Bewegungsrichtung des Brenners während des Beschichtungsvorgangs. 1 : Arrangement and activation of the cooling nozzles relative to the burner, with different direction of movement of the burner during the coating process.

2: Anordnung von Brenner und Kühlmediumdüsen. 2 : Arrangement of burners and cooling medium nozzles.

3: Mikrostrukturen von thermisch gespritzten Schichten, links mit der gezielten, erfindungsgemäßen Kühlung im Nachgang, rechts mit Kühlung vor der Beschichtung. 3 : Microstructures of thermally sprayed layers, left with the targeted, cooling according to the invention in the wake, right with cooling before coating.

4: Erfindungsgemäß hergestellte Mikrostrukturen von Schichten, hergestellt mit Robotergeschwindigkeiten von 250 mm/s (links) und 125 mm/s (rechts). 4 : Microstructures of layers produced according to the invention, manufactured at robot speeds of 250 mm / s (left) and 125 mm / s (right).

5: Gasdichte und dünne plasmagespritzte Schicht aus YSZ, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer nachgeschalteten Kühlung. 5 : Gas-tight and thin plasma sprayed layer of YSZ, produced by the method according to the invention with a downstream cooling.

6: Plasmagespritzte YSZ-Schicht, bei der Pressluft im Nachgang zur Kühlung benutzt wurde. 6 : Plasma sprayed YSZ coating using compressed air after cooling.

In 1 ist eine schematische Darstellung der Bewegung des Brenners beim thermischen Spritzen mit entsprechend der Erfindungsmeldung festgelegter Kühlung dargestellt. In diesen Fällen wird jeweils ein Brenner mit zwei Kühldüsen zu beiden Seiten des Brenners eingesetzt. Bei 1a) wird die Kühlung entsprechend der Brenner-Bewegung während des Beschichtungsvorgangs durch wahlweise Aktivierung der linken oder der rechten Kühldüse aktiviert, je nachdem welche gerade in Brennerrichtung hinter dem Brenner angeordnet ist. Im Fall der 1 b) ist die Brennerbewegung immer nur in eine Richtung, hier von links nach rechts, vorgesehen. Daher wird erfindungsgemäß immer nur die linke Kühldüse aktiviert, die in diesem Fall während des Beschichtungsvorgangs in Brennerrichtung hinter dem Brenner angeordnet ist. Alternativ könnte hierbei auch ein Brenner mit nur einer Kühldüse eingesetzt werden, die derart angeordnet ist, dass sie sich während der Beschichtung in Brennerrichtung hinter dem Brenner befindet.In 1 is a schematic representation of the movement of the burner during thermal spraying with according to the disclosure of the invention specified cooling. In these cases, a burner with two cooling nozzles is used on each side of the burner. at 1a ), the cooling is activated according to the burner movement during the coating process by selectively activating the left or the right cooling nozzle, whichever is located in the burner direction behind the burner. In the case of 1 b) the burner movement is always only in one direction, here from left to right, provided. Therefore, according to the invention always only the left cooling nozzle activated, which is arranged in this case during the coating process in the burner direction behind the burner. Alternatively, this could also be a burner with only one cooling nozzle are used, which is arranged such that it is located during the coating in the burner direction behind the burner.

3 zeigt die Mikrostrukturen von thermisch gespritzten Schichten, links mit der gezielten, erfindungsgemäßen Kühlung im Nachgang, rechts mit Kühlung vor der Beschichtung. Man erkennt deutlich die starke Verbesserung der Mikrostruktur bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die in 3 dargestellten abgeschiedenen Schichten wurden mit einem TRIPLEX II Brenner unter Verwendung von mit Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ)-Pulver hergestellt. Für die Beschichtung beider Schichten wurden identische Plasmaspritz-Bedingungen eingestellt. Bei der Beschichtung in 3a) wurde eine erfindungsgemäße CO2-Kühlung eingesetzt und 9 Übergänge durchgeführt. Die Schicht in 3b) wurde demgegenüber unmittelbar vor der Abscheidung gekühlt, so wie es beim Stand der Technik üblich ist. Ferner wurden 10 Übergänge durchgeführt. Während die Schicht in 3a) eine Vielzahl von Segmentierungsrissen aufweist (ca. 5 pro mm), sind in der Schicht der 3b) keine Segmentierungsrisse zu erkennen. Ferner sind dort auch die einzelnen Übergänge klar an einer erhöhten Porosität zwischen den einzelnen Lagen zu erkennen. Dies tritt bei der erfindungemäßen Beschichtung nicht auf. 3 shows the microstructures of thermally sprayed layers, left with the targeted, cooling according to the invention in the wake, right with cooling before coating. It can be seen clearly the strong improvement of the microstructure in the inventive method. In the 3 Deposited deposited layers were prepared with a TRIPLEX II burner using yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder. For coating both layers, identical plasma spray conditions were set. When coating in 3a ) a CO 2 cooling according to the invention was used and 9 transitions performed. The layer in 3b ), on the other hand, was cooled immediately before deposition, as is customary in the prior art. Furthermore, 10 transitions were performed. While the shift in 3a ) has a plurality of segmentation cracks (about 5 per mm) are in the layer of 3b ) to recognize no segmentation cracks. Furthermore, the individual transitions there are clearly recognizable by an increased porosity between the individual layers. This does not occur in the coating according to the invention.

Außerdem ist der Auftragungswirkungsgrad, d. h. die pro Beschichtungszyklus abgeschiedene Schichtdicke, deutlich erhöht, wie aus der deutlich größeren Schichtdicke in 2a ersichtlich ist.In addition, the application efficiency, ie the layer thickness deposited per coating cycle, is significantly increased, as is the result of the significantly greater layer thickness in FIG 2a is apparent.

1. Ausführungsbeispiel1st embodiment

Mit Hilfe eines TRIPLEX II Brenners und unter Verwendung von YSZ-Hohlkugelpulver (Metco 204NS) wurde bei einer Robotergeschwindigkeit von 250 mm/s mit der erfindungsgemäßen CO2 Kühlung im Nachgang eine Schicht auf einem Edelstahl-Substrat abgeschieden. Der Spritzabstand betrug 100 mm, als Prozessgase wurden 50 Standardliter pro Minute (slpm) Ar und He verwendet. Die Beschichtungstemperatur lag zwischen 700 und 800°C, ein Vorheizzyklus erwärmte das Substrat auf etwa 500°C. Die Schicht wurde durch viermaliges Überfahren mit dem Brenner abgeschieden. Bei den verwendeten heißen Spritzparametern konnte eine extrem dichte Schicht mit einer hohen Dichte an Segmentationsrissen (> 3,5 pro mm) abgeschieden werden. Ferner zeigt diese Schicht keine Delaminationsrisse, wie aus 4a) zu erkennen ist.With the aid of a TRIPLEX II burner and using YSZ hollow sphere powder (Metco 204NS), a layer was subsequently deposited on a stainless steel substrate at a robot speed of 250 mm / s with the CO 2 cooling according to the invention. The spray distance was 100 mm, the process gases used were 50 standard liters per minute (slpm) of Ar and He. The coating temperature was between 700 and 800 ° C, a preheat cycle heated the substrate to about 500 ° C. The layer was deposited by passing four times with the burner. With the hot spray parameters used an extremely dense layer with a high density of segmentation cracks (> 3.5 per mm) could be deposited. Furthermore, this layer shows no delamination cracks, as seen from 4a ) is recognizable.

Mit verringerter Brennergeschwindigkeit (125 mm/s) wurde eine zweite Schicht auf ein Bondcoat (NiCOCrAlY) beschichtetes Superlegierungssubstrat (IN738) erfindungsgemäß abgeschieden. Diese Schicht weist entsprechend dem vorab gesagten eine reduzierte Segmentierungsrissdichte auf, wobei ebenfalls keinerlei Delaminationsrisse sowie die extrem hohe Dichte der Schicht zwischen Segmentierungsrissen hervorzuheben ist.With reduced burner speed (125 mm / s) became a second Layer on a Bondcoat (NiCOCrAlY) coated superalloy substrate (IN738) deposited according to the invention. These Layer has a reduced segmentation crack density according to the above on, with no delamination cracks as well as the extreme emphasize high density of the layer between segmentation cracks is.

2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment

In einem Übergang wurde eine dünne Schicht aus YSZ unter Verwendung von geschmolzenen und gebrochenen Pulvern bei Verwendung einer CO2 Kühlung im Nachgang mit Hilfe des atmosphärischen Plasmaspritzens hergestellt. Der Spritzabstand betrug in diesem Falle 95 mm, die Brenner-Leistung etwa 61 kW. Die Temperatur des Substrates während des Beschichtens betrug etwa 450°C, vorgeheizt wurde auf etwa 400°C. Die Schicht zeigt eine hohe Dichte und keinerlei Segmentationsrisse, wie aus 5 zu erkennen ist.In a transition, a thin layer of YSZ using fused and crushed powders when using a CO 2 was prepared in the wake of cooling by means of atmospheric plasma spraying. The spray distance was in this case 95 mm, the burner power about 61 kW. The temperature of the substrate during coating was about 450 ° C, preheated to about 400 ° C. The layer shows a high density and no segmentation cracks, such as 5 can be seen.

3. Ausführungsbeispiel3rd embodiment

Mit Hilfe des atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens wurde eine YSZ-Schicht abgeschieden. Als Kühlung wurde in diesem Fall Pressluft im Nachgang verwendet. Alternativ können hierbei neben dem bereits erwähnten CO2 auch Kühlmedien, wie He, Ar, Wasserdampf oder andere Flüssigkeiten, eingesetzt werden.By means of the atmospheric plasma spraying method, a YSZ layer was deposited. As cooling, compressed air was subsequently used in this case. Alternatively, in addition to the CO 2 already mentioned, cooling media such as He, Ar, water vapor or other liquids can also be used.

Die erhaltene YSZ-Schicht weist eine hohe Dichte an Segmentierungsrissen (ca. 3 pro mm) jedoch ohne die schädlichen Delaminationsrisse auf (siehe 6). Die Substrattemperatur lag bei der Beschichtung unter 500°C, was eine nur geringe thermische und korrosive Belastung zur Folge hat.The obtained YSZ layer has a high density of segmentation cracks (about 3 per mm) but without the deleterious delamination cracks (see 6 ). The substrate temperature during the coating was below 500 ° C, resulting in only a small thermal and corrosive load.

4. Ausführungsbeispiel4th embodiment

Hier wurde ein thermisches Spritzverfahren eingesetzt, bei dem anstelle eines fließfähigen Pulvers eine Suspension z. B. aus teilstabilisiertem Zirkonoxid verwendet wurde und die Kühlung erfindungsgemäß im Nachgang erfolgte. Hierbei ließen sich die über das Suspensionplasmaspritzen erreichbaren hohen Segmentierungrissdichten noch weiter steigern. Bei einer Abscheidung von sehr dünnen Schichten unterhalb von 100 μm, können regelmäßig hochdichte Schichten erreicht werden, bei denen Gasdichtigkeiten unter 0,1 mbar l/s/cm2, vorzugsweise unter 10–3 mbar l/s/cm2 erreicht werden.Here, a thermal spraying method was used in which instead of a flowable powder, a suspension z. B. from partially stabilized zirconium oxide was used and the cooling was carried out according to the invention in the wake. Here, the high segmentation crack densities achievable via suspension plasma spraying could be further increased. In a deposition of very thin layers below 100 microns, regularly high density layers can be achieved in which gas tightness below 0.1 mbar l / s / cm 2 , preferably below 10 -3 mbar l / s / cm 2 can be achieved.

Claims (24)

Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens, bei dem nach dem Spritzübergang eine Kühlung der abgeschiedenen Schicht und auch des Substrats erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte Kühlung der abgeschiedenen Schicht und auch des Substrats derart erfolgt, dass im Mittel ein Temperaturniveau von mindestens 200 K oberhalb der Umgebungstemperatur im Schicht/Substratverbund vorliegt.A method of coating a substrate by means of a thermal spraying method, in which after the injection transfer, a cooling of the deposited layer and also of the substrate he follows, characterized in that a defined cooling of the deposited layer and also of the substrate takes place in such a way that on average there is a temperature level of at least 200 K above the ambient temperature in the layer / substrate composite. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kühlung derart erfolgt, dass ein Temperaturniveau zwischen 300 und 600°C oberhalb der Umgebungstemperatur im Schicht/Substratverbund vorliegt.The method of claim 1, wherein the cooling is so takes place that a temperature level between 300 and 600 ° C above the ambient temperature in the layer / substrate composite is present. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwischen dem Spritzübergang und der definierten Kühlung dieser abgeschiedenen Schicht eine Zeitspanne von weniger als 100 ms, insbesondere in weniger als 10 ms und insbesondere zwischen 0,1 und 5 ms nach dem Spritzübergang vergeht.Method according to claim 1 or 2, wherein between the spray transition and the defined cooling this deposited layer has a time of less than 100 ms, especially in less than 10 ms and in particular between 0.1 and 5 ms after the spray transition passes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem vor der Beschichtung das Substrat mit einem Plasmabrenner mit nachgeschalteter Kühlung aber ohne Pulverinjektion vorgeheizt wird.Method according to one of claims 1 to 3, wherein before Coat the substrate with a downstream plasma torch cooling but preheated without powder injection. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem vor der Beschichtung das Substrat mit einem Plasmabrenner mit nachgeschalteter Kühlung aber ohne Pulverinjektion auf mindestens 200 K oberhalb der Umgebungstemperatur vorgeheizt wird.The method of claim 4, wherein prior to coating the substrate with a plasma torch with downstream cooling but without powder injection to at least 200 K above ambient temperature is preheated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Bereich der Kühlung nicht größer als der Bereich des Spritzflecks eingestellt ist, insbesondere bei dem der Bereich der Kühlung dem des Spritzflecks entspricht.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the range the cooling not bigger than the area of the spray spot is set, in particular in the the area of cooling corresponds to the spray spot. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Austritt des Kühlmediums unmittelbar neben dem Spritzfleck erfolgt.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the outlet of the cooling medium immediately next to the spray spot. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als Kühlmedium ein Gas, wie z. B. CO2, Pressluft, Stickstoff, Helium, Wasserdampf oder eine Flüssigkeit, wie Wasser oder ein Feststoff, wie z. B. CO2-Schnee, eingesetzt wird.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the cooling medium is a gas, such as. As CO 2 , compressed air, nitrogen, helium, water vapor or a liquid such as water or a solid such. As CO 2 snow, is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Relativgeschwindigkeit zwischen Substrat und Brenner oberhalb von 100 mm/s, vorzugsweise zwischen 250 und 1000 mm/s liegt.Method according to one of claims 1 to 8, wherein the relative speed between substrate and burner above 100 mm / s, preferably between 250 and 1000 mm / s. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem eine Beschichtung aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) oder anderen oxidischen Werkstoffen, insbesondere aus einem Perowskit, einem Aluminat, einem Spinell oder einem Pyrochlor hergestellt wird.Method according to one of claims 1 to 9, wherein a coating yttria-stabilized zirconia (YSZ) or other oxidic Materials, in particular from a perovskite, an aluminate, a Spinel or a pyrochlore is produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem ein atmosphärisches Spritzverfahren (APS) als thermisches Spritzverfahren eingesetzt wird.Method according to one of claims 1 to 10, wherein an atmospheric Spray method (APS) is used as a thermal spraying method. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 10, bei dem ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) als thermisches Spritzverfahren eingesetzt wird.Method according to one of Claims 1 to 10, in which a high-speed flame spraying (HVOF) is used as a thermal spraying method. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Beschichtung in Form einer gasdichten Schicht mit einer Gesamtschichtdicke von weniger als 100 μm hergestellt wird.Method according to one of claims 1 to 12, wherein the coating in the form of a gas-tight layer with a total layer thickness of less than 100 μm will be produced. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Beschichtung in Form einer gasdichten Schicht mit einer Gesamtschichtdicke von weniger als 100 μm durch einmaliges Überfahren hergestellt wird.The method of claim 13, wherein the coating in the form of a gas-tight layer with a total layer thickness of less than 100 μm by crossing once will be produced. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Beschichtung in Form einer ionenleitenden Membran für eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle umfassend YSZ hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 14, in which the coating in the form of an ion-conducting membrane for one Solid electrolyte fuel cell comprising YSZ. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Beschichtung in Form einer Gastrennungsmembran umfassend ein mischleitendes Oxid oder einen Protonenleiter hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 14, wherein the coating comprises in the form of a gas separation membrane a mixed conducting oxide or a proton conductor is produced. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Beschichtung in Form einer isolierenden Schicht umfassend ein Aluminiumoxid, eine Spinellverbindung, ein Steatit, ein Fosterit, ein Porcelan, ein Pyrochlor, ein Mullit, ein Magnesiumoxid, ein Zirkon, ein unstabilisiertes oder stabilisiertes Zirkoniumoxid oder Titanoxid hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 14, wherein the coating in the form of an insulating layer comprising an alumina, a spinel compound, a steatite, a fosterite, a porcelan, a pyrochlore, a mullite, a magnesia, a zircon, an unstabilized or stabilized zirconia or titanium oxide is produced. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Beschichtung in Form einer Korrosionsschutzschicht hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 14, wherein the coating in the form of a corrosion protection layer will be produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem eine segmentierte Beschichtung mit einer Schichtdicke von mehr als 100 μm hergestellt wird.Method according to one of claims 1 to 12, wherein a segmented coating is produced with a layer thickness of more than 100 microns. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 13, bei dem eine segmentierte Beschichtung durch einmaliges Überfahren hergestellt wird.Method according to the preceding claim 13, wherein a segmented coating is produced by driving over once. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 mit einem Brenner und wenigstens einem Mittel zum Kühlen, wobei die Ausrichtung dieses Mittels derart positioniert ist, dass der Austritt eines Kühlmediums aus dem Kühlmittel auf einen zuvor abgeschiedenen Spritzfleck gerichtet ist.Apparatus for carrying out the method according to one the claims 1 to 19 with a burner and at least one means for cooling, wherein the Orientation of this means is positioned such that the exit a cooling medium from the coolant directed to a previously deposited spray spot. Vorrichtung nach Anspruch 21, mit wenigstens zwei Kühlmitteln an der Seite des Brenners, wobei die Ausrichtung dieser Mittel derart positioniert sind, dass der wahlweise Austritt eines Kühlmediums aus einem Kühlmittel je nach Relativbewegung des Brenners zum Substrat auf einen zuvor abgeschiedenen Spritzfleck gerichtet ist.Apparatus according to claim 21, comprising at least two coolants at the side of the burner, the orientation of these means being such are positioned that selectively exit a cooling medium a coolant depending on the relative movement of the burner to the substrate on a previously deposited spray spot is directed. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22 mit wahlweise ansteuerbaren Kühlmitteln.Apparatus according to claim 21 or 22, optionally controllable coolants. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23 mit hochwarmfesten Kühldüsen als Mühlmittel.Device according to one of claims 21 to 23 with high temperature resistant Cooling nozzles as Mühlmittel.
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