DE3003520A1 - Gegenstand fuer den einsatz bei hoeheren temperaturen - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf den Schutz von Substraten und im Besonderen von auf Ni und Co basierenden Superlegierungen
vor hohen Temperaturen, z.B. Temperaturen, wie sie typischerweise in Gasturbinen vorkommen.
Verbesserungen des Wirkungsgrades von Gasturbinen können im allgemeinen am besten direkt oder indirekt erreicht werden
durch ein Anheben der Temperatur der Verbrennungsgase, die auf die Turbinenschaufeln wirken. Das Hauptproblem bei der
Erreichung dieses. Zieles liegt in der begrenzten Anzahl von Materialien für die Schaufeln, die eine ausreichende
Härte und Korrosionsfestigkeit bei Temperaturen über 1100° C
für einen genügend langen Zeitraum beibehalten. Neue Verfahrensentwicklungen
für fortschrittliche, auf Ni und Co basierende Superlegierungen haben dem Maschinenkonstrukteur
neue Grenzen der Festigkeitsbeanspruchbarkeit eröffnet, jedoch auf Kosten der äußeren Korrosionsfestigkeit. Gleichzeitige
Fortschritte in· der Beschichtungstechnologie haben einige Fortschritte beim Erreichen allseits befriedigender
Materialqualitäten ergeben. Jedoch werden noch weitere Forderungen an die Möglichkeit der Anhebung der Gastemperatur
bis zu und sogar über 1600° C gestellt. Als befriedigende Lösungen im Hinblick auf dieses Problem werden feuerfeste
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Legierungen und Keramik für fortschrittliche Turbinen oder
sonstige Maschinen oder, alternativ, Fortschritte bei anspruchsvolleren
Mitteln zur Verminderung der Metalltemperatur, z.B. durch gesteuertes Abkühlen, angesehen.
Um die Temperatur von Metalloberflächen zu reduzieren, sind vier Methoden bekannt, nämlich Konvektions-, Aufprall-,
Film- und Transpirations- oder Effusionskühlung, die jedoch
sorgfältig ausgearbeitete Fabrikations- und Maschinentechniken bedingen, um auch komplexe geometrische Komponenten herstellen
zu können. Obwohl sie an sich effektiv sind, schließen sie alle ein Anheben des Strömungsverhältnisses Kühlflüssigkeit
zu Gas ein, was den Turbinengesamtwirkungsgrad nachteilig beeinflußt. Eine alternative Annäherung an die Oberflächenkühlung,
und zwar eine, die in Zusammenhang mit existierenden Kühltechniken gebracht werden kann, ist das
Konzept der thermischen Sperrschicht. Diese Technik umfaßt wirksam eine Übergangstechnologie zwischen einem metallischen
und einem vollkeramischen System, und einige der Probleme, die mit dem Arbeiten mit Keramik bei hohen Temperaturen
zusammenhängen, z.B. Wärmedurchlauf und erosions-/korrosionsbeschleunigende
Umgebung, müssen sorgfältig beachtet werden, wenn eine solche Beschichtung entwickelt wird.
Das Prinzip, eine Keramik mit niederer Wärmeleitfähigkeit einem metallischen Substrat als ein Mittel der thermischen
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Isolierung zuzuordnen, war eine zeitlang als brauchbar anerkannt worden. Viele der Probleme, die in der Vergangenheit
aufgetaucht waren, waren jedoch mit der metallischen Substrat/ Keramik-Verträglichkeit verknüpft.
Unterschiede bei der thermischen Ausdehnung zwischen der Legierung und dem konstanten Oxid verursachen die Spallation
der Hitzesperrschicht. Die Adhäsion der keramischen Stoff-Zusammensetzung
an das Substrat hat weitere Probleme aufgeworfen .
Vielen von diesen Anfangsschwierigkeiten konnte man beikommen durch das Hinzufügen einer ersten sogenannten Bindungshülle
zum Substrat, z.B. von Mo, Ni-chrom oder NiCrAlY, gefolgt
von der bevorzugten feuerfesten Oxidsperrschicht, die gewöhnlich
irgendeine Form von stabilisiertem Zirkoniumoxid enthielt. Zirkoniumoxid, das entweder mit Calciumoxid,
Hafniumoxid, Magnesiumoxid oder irgendeinem Oxid der Seltenen Erden stabilisiert wurde, kann wegen seiner sehr niedrigen
Wärmeleitfähigkeit, seiner niedrigen Dichte und seines hohen Schmelzpunktes als Sperroxid verwendet werden. Jedoch ist
die thermische Ausdehnungsverträglichkeit mit normalerweise
verwendeten Bindungsbeschichtungen noch weit davon entfernt,
befriedigend zu sein. Diese Tatsache im allgemeinen hat zu der Entwicklung des sogenannten abgestuften Hitzesperrsystems
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geführt, wo eine Massesteuerung der Umhüllung aus Metall oder Metall/Keramik zu Keramik mit einigem Erfolg vorgesehen
wurde. Es ist jedoch zu empfehlen, die gesamte Sperrschichtdicke auf unter 0,020 Inch zu begrenzen und ein einfaches
Duplex-Metall-Keramik-System zu entwickeln.
Des weiteren müssen den mechanischen Problemen der Bindung von Keramik zu Metallen, den Fragen der chemischen Verträglichkeit
zwischen dem Oxid und der metallischen Bindungsschicht und dem Betrag, bei dem die Verbrennungsgase die
bevorzugte Oxidsperre durchdringen können, Rechnung getragen werden. Im ersten Fall sind Nickel, Nickel-Aluminid oder
NiCrAlY gebundene Umhüllungen mit Rücksicht auf NiO- sehr gut geeignet, weil Nickeloxid in keiner Weise mit monoklinem
oder kubischen Zirkoniumoxid reagiert, obwohl andere MCrAlY-Zusammensetzungen, wo M=Fe oder Co ist arme
Zweitwahlbindungsschicht-Systeme (poor second choice bond coat systems) sein können, und zwar wegen der bedeutenden
Reaktion von Kobaltoxid und Eisenoxid mit Zirkoniumoxid. Obwohl Nickeloxid NiO chemisch gegenüber Zirkoniumoxid
inert ist, oxidiert es unter Oxidationsbedingungen (die normalerweise in Gasturbinen auftreten) zu Ni7O3 bei
400° C und kehrt zu NiO bei annähernd 600° C um. Die Volumenänderung, die diese Reaktion begleitet, kann eine
keramische Hitze-Sperrspallation verschlimmern.
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fand nun heraus, daß ein oder mehrere Metalle der Platingruppe, worunter man Platin, Palladium, Rhodium, Iridium,
Ruthenium und Osmium versteht, als Schicht zwischen dem Substrat und der feuerfesten Oxidsperrschicht verwendet
werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt daher ein für die
Verwendung bei erhöhter- Temperatur geeigneter Gegenstand,
z.B. in einer Gasturbine, ein metallisches Substrat, auf dem eine erste Umhüllung oder Beschichtung angelagert ist,
die ein oder mehrere Metalle der Platingruppe enthält oder eine Legierung, die ein oder mehrere Metalle der Platingruppe
enthält, auf der wiederum eine zweite Umhüllung oder Beschichtung angelagert ist, die eine Hitzesperrschicht
bildet.
Man zieht vor, daß
I. das Substratmaterial eine Legierung umfaßt, z.B. eine auf Ni, Co oder Fe basierende Superlegierung
oder eine feuerfeste Legierung oder ein feuerfestes Metall,
II. die erwähnte erste Umhüllung oder Beschichtung eine
. Schutzumhüllungszusammensetzung umfaßt, die typischerweise
aus einem oder mehreren Metallen der Platingruppe gebildet wird und aus einem oder mehreren feuerfesten
Oxide bildenden Elementen, wie Al, Zr, Ti usw.,
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III. die Dicke der Hitzesperrschicht zwischen 250 und 500 Mikron beträgt und
IV. die Hitzesperrschicht ein stabilisiertes, feuerfestes
Oxid umfaßt, z.B. Zirkoniumoxid, stabilisiert mit einem oder mehreren der Oxide: Calciumoxid, Hafniumoxid,
Magnesiumoxid, Yttriumoxid oder einem Oxid der Seltenen Erden.
Alternativ besteht die erwähnte erste Umhüllung oder Beschichtung im wesentlichen aus einem oder mehreren Metallen
der Platingruppe oder einer Legierung, die eine Dicke innerhalb der Größenordnung von 2-25 Mikron, vorzugsweise 3-10
Mikron hat. .
Auf Wunsch können Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung des weiteren ein oder mehrere - Metalle der Platingruppe enthalten,
entweder in Kombination mit dem Material der Hitzesperrschicht und/oder, indem sie eine weitere Schicht (eine
sogenannte überlagerung = "over layer") über der Hitzesperrschicht
enthalten.
Die Metalle der Platingruppe, die vorzugsweise bei Gegenständen
gemäß der Erfindung verwendet werden, sind Platin, Rhodium und/oder Iridium. Man fand heraus, daß diese Metalle
besonders wirksam sind wegen ihrer Wärme-Expansionsfähigkeit
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mit stabilisiertem Zirkoniumoxid und ihren niedrigen Sauerstoff permeationsraten. Obwohl die Metalle der Platingruppe
mit Zirkoniumoxid unter extremen, reduzierenden Bedingungen reagieren, hält die poröse Struktur von und die Sauerstoffpermeation
durch stabilisiertes Zirkoniumoxid ein ausreichend hohes Sauerstoffpotential an der Grenzfläche aufrecht, damit
keine chemischen Zwischenreaktionen auftreten.
Auf ähnliche. Weise sorgt ein Metall der Platingruppe, das als Überlagerung auf Hitzesperrsystemen benutzt wird, für
eine Sperre gegen bedeutende Verbrennungsgaspenetration zur unterlegten Substratlegierung. Ein weiterer Vorteil des
Überlagerungssystemes ist die stark reflektierende Natur der Metalle der Platingruppe. Die hohe Reflexionsstärke der
äußeren Haut, hinterlegt von einer Schicht von einem Oxid mit niederer Wärmeleitfähigkeit, sorgt für ein Schutzsystem,
das zum Arbeiten in Umgebungen befähigt ist, wo die Verbrennungsgastemperatur bis zu 1600° C.sein kann. Eine überlagerung
aus einem Metall der Platingruppe auf einer Turbinenschaufel würde auch die Wirksamkeit der Turbine steigern
in der Weise, daß eine sehr glatte Oberfläche für die Verbrennungsgase
vorhanden wäre.
Anhand von bevorzugten Ausführungen kann ein bevorzugtes Gesamtsystem dargestellt werden
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a) durch das Anlagern von zwischen 5 und 12 Mikron dickem Platin auf das bevorzugte Substrat durch
irgendeine der Standärdtechniken, aber vorzugsweise durch elektrolytische Schmelzplattierung (fused salt
plating),
b) durch Diffusion, die die erwähnte Platinschicht an das Substrat bindet, insbesondere bei 700° C eine Stunde
lang im Vakuum, und
c) durch Plasma- oder Flammenaufsprühen einer stabilisierten Zirkoniumoxidbeschichtung bis zu einer Tiefe von zwischen
250 und 500 Mikron.
Eine weitere vergütende Behandlung kann vorgenommen werden, um die gesamte Umhüllung zu entspannen.
Alternativ kann Palladium anstatt Platin verwendet werden bei einer Filmdicke von z.B. zwischen 10 und 25 Mikron, oder
Iridium kann bei einer Filmdicke von zwischen 2 und 7 Mikron verwendet werden.
Eine zweite bevorzugte Methode" wäre es,
a) . die Bindungsbeschichtung des Metalles der Platingruppe
wie oben auf dem bevorzugten Substrat zu befestigen,
b) die Platinbeschichtung durch Zirkonisieren und gleichzeitige Diffusion auf das Substrat zu binden, d.h.
Zirkonisieren, indem man ein Vakuumpackzementierungs-
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verfahren verwendet, das mit einer Packungszusammensetzung
von 90 % Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid, 8 % Zirkoniummetall und 2 % Ammoniumchloridaktivator
arbeitet bei einer Temperatur von 1050° C eine Stunde lang,
c) die platin-zirkonisierte Beschichtung eine Stunde lang bei 800 C vorzuoxidieren, und
d) das Hitzesperroxid durch Plasma- oder Flammenaufsprühen
zu befestigen.
Die letztere Technik produziert eine anfangs innen oxidierte (ZrO0) Verbundtypstruktur, auf der die gesamte stabilisierte
Zirkoniumoxidsperrschicht verkeilt ist. Das effektive Ergebnis
ist ein gestuftes Hitzesperrsystem.
Eine dritte Methode ist es, die gesamte Hitzesperrzusammensetzung
durch Plasma- oder Flammenaufsprühen von aufeinanderfolgend
Platin-Zirköniumoxidpulverzusammensetzungen von
mindestens 98 % Pt und 2 % ZrO_ auf das Substrat zu 100 %■ Zirkoniumoxid
auf der äußeren Oberfläche zu befestigen. In diesem besonderen Fall, d.h. bei dem Flammenaufsprühen, kann ein
kontrollierter Sauerstoffspiegel während des Arbeitens mit Platin-Zirkonium stabilissiertem Oxidpulvergemisch die
gewünschte, gestufte Isolierungsumhüllung erzeugen.
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Von den vielen erhältlichen Arbeitstechniken bis zu solchen, die mit Umhüllungsbefestigungen vertraut sind, ist es das
Ziel der vorliegenden Erfindung, die Haftung, Haltbarkeit und Korrosionsfestigkeit eines Hitzesperrsystems zu verbessern,
ohne den ersten Zweck des erwähnten Systemes zu beeinflussen, nämlich die Temperatur auf der metallischen Substratoberfläche
zu reduzieren, so daß bekannte Hochtemperaturmaterialien sehr wirksam in heißeren Verbrennungsgasströmen arbeiten können.
Das so beschriebene System und die verschiedenen Methoden der Befestigung der Beschichtung schließen die Verwendung
von einem oder mehreren Metallen der Platingruppe ein oder Legierungen als Bindungsschichten, integrierte Metall/Keramikzusammenstellungen
oder Überlagerungen, um wirksame Isolierungsbeschichtungen gegen hohe Temperatur zu erzeugen.
Obwohl die Erfindung mit besonderer Rücksicht auf Stoffkomponenten
beschrieben wurde, z.B. Leiträder für Turbinendüsen, Turbinenschaufeln, Brenner usw. von Gasturbinen,
kann sie auch in anderen Technologien Anwendung finden,, so wie bei der Kohlevergasung, Glasherstellung und ölraffination.
Obwohl spezielle Rücksicht genommen wurde auf die Verwendung der vorliegenden Erfindung zur wirksamen Verringerung von
Metallwandtemperaturen, indem man Oxide mit niederer Wärme-
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leitfähigkeit verwendete, haben des weiteren die Methoden, die hier beschrieben wurden, gute Ergebnisse bei der Herstellung
von wirksam erosionsfesten Beschichtungen erbracht, die ihre Anwendung nicht nur auf dem Gebiet der Gasturbinen
haben, sondern auch bei der Herstellung von Anlagenausrüstung, wo z.B. rasches Abpumpen von Schleifschlämmen vorzeitige
Fehler der Komponenten verursachen kann.
Zusammenfassend kann die Erfindung nochmals wie folgt
umrissen werden.
Die Erfindung bezieht sich auf Mittel zum Schutz von Substraten und im besonderen von auf Ni und Co basierenden
Superlegierungen vor hohen Temperaturen, z.B. Temperaturen, wie sie typischerweise in Gasturbinen vorkommen.
Insbesondere enthält ein Gegenstand, der für die Verwendung bei allen erhöhten Temperaturen (bis zu 1600° C und mehr)
geeignet ist, ein metallisches Substrat, auf dem eine erste Umhüllung oder Beschichtung niedergeschlagen ist, die ein
oder mehrere Metalle der Platingruppe enthält oder eine Legierung, die ein oder mehrere Metalle der Platingruppe
enthält, auf der eine zweite Umhüllung oder Beschichtung niedergeschlagen ist, die eine Hitzesperrschicht bildet.
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Claims (1)
- J 21 P 240Anmelder: JOHNSON,. MATTHEY & CO., LIMITED,43 Hatton Garden, London, ECIN 8EE, EnglandTitel: Gegenstand für den Einsatz bei höheren Temperaturen Patentansprüche1. Gegenstand für die Anwendung bei höheren Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß er ein metallisches Substrat enthält, auf dem eine erste Umhüllung oder Beschichtung niedergeschlagen ist, die ein oder mehrere Metalle der Platingruppe enthält, oder eine Legierung, die ein oder mehrere Metalle der Platingruppe einschließt und auf der eine zweite Umhüllung oder Beschichtung niedergeschlagen ist, die eine Hitzesperrschicht bildet.2. Gegenstand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Substrat aus einem metallischen Material gemacht ist, das aus der Gruppe stammt, die besteht aus .einer Nickel-, Kobalt- oder einer Eisensuperlegierung, einer feuerfesten Legierung und einem feuerfesten Metall.3. Gegenstand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Umhüllung oder Beschichtung eine Schutzumhüllungszusammensetzung enthält, die aus der Gruppe30.1.80 - 2 -030033/0677BAD ORIGINAL_ ο ■»stammt, die aus mindestens einem Metall der Platingruppe besteht und mindestens einem, ein feuerfestes Oxid
bildenden Element.4. Gegenstand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Umhüllung oder Beschichtung aus mindestens einem Metall der Platingruppe hergestellt wurde, oder aus Legierungen, die mindestens ein Metall der Platingruppe enthalten, und die eine Dicke innerhalb der Größenordnung von 2 bis 25 Mikron haben.5. ' Gegenstand gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß das ein feuerfestes Oxid bildende Element aus der Gruppe stammt, die aus Al, Zr und Ti besteht und worin die Hitzesperrschicht ein stabilisiertes feuerfestes Oxid enthält..6. Gegenstand gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierte feuerfeste Oxid Zirkoniumoxid ist, das mit mindestens einem der Oxide Calciumoxid, Hafniumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid und den Oxiden der Seltenen Erden stabilisiert ist.7. Gegenstand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht eine Dicke zwischen 250 und 500 Mikron hat.J 21 P 24030.1.80 - 3 -030033/0677
BAD ORIGINAL8. Gegenstand gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine zusätzliche Schicht enthält, die über der Hitzesperrschicht liegt, wobei die zusätzliche Schicht mindestens ein Metall der Platingruppe enthält, oder eine Legierung, die mindestens ein Metall der Platingruppe enthält.9. Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzesperrschicht auch ein oder mehrere Metalle der Platingruppe enthält.10. · Gegenstand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß das Metall der Platingruppe aus der Gruppe stammt, die aus Platin, Rhodium und Iridium besteht.11. Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes nach einem der Ansprüche 1 - 10, gekennzeichnet durch11.1 Anlagern von Platin auf ein Substrat in an sich bekannter Weise,11.2 Binden der Platinschicht an das Substrat durch Diffusion,11.3 Aufbringen einer stabilisierenden Zirkoniumoxidbeschichtung.J 21 P 24030.1.80 - 4 -030033/0677
BAD ORIGINAL12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine abschließende Vergütungsbehandlung zum Entspannen der Beschichtung.13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, . daß das Platin mit einer Schichtdicke von 5 bis 12 Mikron angelagert wird.14. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 13, gekennzeichnet durch die Anlagerung der Platinschicht mittels elektro-Iytischer Schmelzplattierung.15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,daß das Binden der Platinschicht an das Substrat mittels Diffusion bei etwa 700 C im Vakuum bei einer Behandlungsdauer von etwa einer Stunde erfolgt.16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Zirkoniumoxidbeschichtung bis zu einer Tiefe von 250 bis 500 Mikron erfolgt.17. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 16, dadurch gekennzeichnet , daß das Aufbringen der Zirkoniumschicht durch Plasma- oder Flammaufsprühen erfolgt.J 21 P 24030.1.80 - 5 -030033/0677
BAD ORIGINAL18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle von Platin Palladium in einer Schichtdicke von etwa 10-25 Mikron aufgetragen wird.19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle von Platin Iridium in einer Schichtdicke von etwa 2 bis 7 Mikron aufgetragen wird.20. Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes nach einem der Ansprüche 1 - 10, gekennzeichnet durch20.1 Anlagern eines Metalles der Platingruppe auf ein Substrat in an sich bekannter Weise, insbesondere durch Diffusion bei etwa 700° C im Vakuum bei einer Behandlungsdauer von etwa einer Stunde in einer Schichtdicke zwischen 2 und 25 Mikron,20.2 Zirkonisieren und gleichzeitige Diffusion der angelagerten Schicht an das Substrat,. 20.3 Voroxidieren der zirkonisierten Schicht, .20.4 Befestigen der oxidierten Schicht.21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkonisieren und die gleichzeitige Diffusion durch Vakuumpackzementieren bei einer PackungszusammensetzungJ 21 P 24030.1.80 - 6 -030033/0677von 90 % Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid, 8 % Zirkoniummetall und 2 % Ammonium-Chloridaktivator vorzugsweise bei einer Temperatur von zu-, mindest etwa 1050° C und einer Behandlungsdauer von ■ etwa einer Stunde erfolgen.22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Voroxidieren bei einer Temperatur von zumindest etwa 800 C und einer Behandlungsdauer von einer Stunde erfolgt. .23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Hitzesperroxid durch Plasma- oder Flammaufsprühen befestigt wird.24. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Hitzesperrzusammensetzung durch Plasmaoder Flammaufsprühen von aufeinanderfolgend Platin-Zirkoniumoxidpulverzusammensetzungen mit mindestens98 % Pt und 2 % ZrO2 auf das Substrat zu 100 % Zirkoniumoxid erfolgt.J 21 P 24030.1.80 - 7 -0300 33/0 6 77
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