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JP2004360699A - 工業用タービンノズル翼形部及び他の高温ガス通路構成部品のためのトップコーティング系とそれに関連する方法 - Google Patents

工業用タービンノズル翼形部及び他の高温ガス通路構成部品のためのトップコーティング系とそれに関連する方法 Download PDF

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JP2004360699A
JP2004360699A JP2004167145A JP2004167145A JP2004360699A JP 2004360699 A JP2004360699 A JP 2004360699A JP 2004167145 A JP2004167145 A JP 2004167145A JP 2004167145 A JP2004167145 A JP 2004167145A JP 2004360699 A JP2004360699 A JP 2004360699A
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Andrew J Skoog
アンドリュー・ジェイ・スクーグ
Jane Ann Murphy
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マイケル・ダミアン・シール
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マシュー・カーチス・ロリング
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General Electric Co
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Abstract

【課題】 その少なくとも1つの表面部分上に断熱皮膜(62)を有する、ガスタービンの高温ガス通路内で使用するようになったタービン構成部品(50)を提供する。
【解決手段】 本タービン構成部品は、予め定められた厚さの、シリカ含有マトリックス内にアルミナ粒子を有する保護トップコーティング(64)を含む。アルミナ粒子は外部保護トップコーティングの約5〜約85重量パーセントを構成し、シリカ含有マトリックスが、シリカ、ケイ酸塩及びムライトを含みかつ外部保護トップコーティングの約1〜約45重量パーセントを構成する。その厚さは、断熱皮膜の使用中の温度の関数として決定される。
【選択図】 図3

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの厳しい温度環境内の構成部品のような高温に曝される構成部品のための皮膜に関する。より具体的には、本発明は、ガスタービンエンジンの高温ガス通路内に設置された構成部品上の断熱皮膜(TBC)を覆って施した保護トップコーティングを指向する。
例えば固定ブレード又はノズル、回転ブレード及び燃焼器金属部品のようなガスタービンエンジン構成部品は、作動の間に表面腐食及び汚損のような物による性能劣化を受ける。構成部品の寿命はまた、とりわけ構成部品が曝される極めて高い温度によって影響を受ける。
ガスタービンエンジンの燃焼器金属部品及び他の高温ガス通路構成部品は、多くの場合断熱皮膜すなわちTBCによって保護され、このTBCが、下にある構成部品基体の温度を低下させ、それによって構成部品の耐用年数を延長する。セラミック材料、具体的にはイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が、その高温性能と、低熱伝導度と、プラズマ溶射法、フレーム溶射法及び物理的蒸着(PVD)法による比較的容易な堆積との理由から、TBC材料として広く使用されている。多くの場合、空気プラズマ溶射(APS)が、比較的低い装置コストと施工及びマスキングの容易さとにより、他の堆積プロセスよりも好ましい。
不都合なことに、TBCの仕上げ表面は、極めて粗くかつ腐食し易い傾向をもつ。事実、TBCの表面粗さは、母材金属の表面仕上げよりも粗く、その結果、空気力学的性能に悪影響を与えると共に外部熱伝達及びノズル総熱負荷を増大させる。TBC表面の劣化はしばしば、燃焼過程中に硫黄と化合して部品の表面上に低融点塩を堆積させるアルカリ金属を含む燃料の燃焼に起因する汚損の結果生じる。汚染物質はさらに、吸入空気或いはNO制御又は推力増強のための水噴射からもたらされる可能性もある。さらに劣化は、TBC材料自身の腐食によっても起こる。
より具体的には、TBC系の耐用年数は、典型的には熱疲労によりもたらされるはく離現象によって制限されることを理解されたい。セラミックのTBCと金属基体との間のCTE(熱膨張率)の不整合に加えて、その作動の間にガスタービンエンジン内部に見られる化合物でTBCが汚染された結果として、はく離が促進されるおそれがある。
航空機用ガスタービンエンジン構成部品では、TBCを覆って拡散反射障壁皮膜を施し、該反射障壁皮膜を覆って低放射率外部トップコートを施してきた。追加するトップコートは、構成部品内部への熱流を減少させるように設計されている。特許文献1を参照されたい。
さらに、TBCを保護するためにTBCを覆って保護被膜を施すことはよく知られており、保護被覆は、メタノール又はエタノール等のような適当なキャリア液を使用してマトリックス材料内にアルミナ粒子を含む。保護被覆は、CMASが下にあるTBC内に浸透するのを、阻止しないまでも減少させるように設計される。特許文献2を参照されたい。
米国特許第6210791号 米国特許第6465090号
本発明は、特許文献2に説明されているような保護皮膜の厚さを使用中のTBC温度の関数として決定することによって、従来技術の教示より一歩進んだ段階を取り入れている。最終結果は、TBCを腐食から保護し、その上に汚染物質が付着できない滑らかな表面を形成し、熱伝達を低下させ、表面汚損を受け難くし、かつ空気力学的性能を改善する、従来のTBCを覆って施した滑らかな保護障壁皮膜である。
1つの例示的な実施形態では、保護トップコーティングは、シリカ含有マトリックス内にアルミナ粒子を含む。コーティングは、実質的に均質とするか又は異なった組成を有する多層で形成することができる。
本発明の具体的な有意性は、保護トップコーティングのはく離の可能性を排除しないまでも最小にすることになる、TBCの最小有効厚さを特定又は決定することにある。保護トップコーティングによりTBCで保護されたガスタービンエンジン構成部品の寿命を大きく延長させることが可能になるようなこのTBCの最小許容可能厚さを、TBCの使用中の温度により決定することを発見した。
従って、1つの様態では、本発明は、その少なくとも1つの表面部分上に予め定められた厚さの断熱皮膜を有する、ガスタービンの高温ガス通路内で使用するようになったタービン構成部品に関し、本タービン構成部品は、断熱皮膜を覆って施した保護トップコーティングをさらに含み、予め定められた厚さは、断熱皮膜の使用中の温度の関数として決定される。
別の様態では、本発明は、その表面上に断熱皮膜を有する構成部品に関し、本構成部品は断熱皮膜を覆う外部保護トップコーティングを含み、該外部保護トップコーティングはシリカ含有マトリックス内にアルミナ粒子を含み、該アルミナ粒子は外部保護トップコーティングの約5〜約85重量パーセントを構成し、該シリカ含有マトリックスは、シリカ、ケイ酸塩及びムライトのうちの少なくとも1つを本質的に含みかつ外部保護トップコーティングの約1〜約45重量パーセントを構成し、断熱皮膜は該断熱皮膜の使用中の温度の関数として決定された厚さを有する。
さらに別の様態では、本発明は、その表面上に部分安定化ジルコニアの断熱皮膜を有するガスタービンエンジン構成部品に関し、本構成部品は断熱皮膜を覆う外部保護トップコーティングを含み、該外部保護トップコーティングはバインダマトリックス内にアルミナ粒子を含み、該バインダマトリックスはシリカ、ケイ酸塩及びムライトのうちの少なくとも1つを本質的に含み、該アルミナ粒子は外部保護トップコーティングの約5〜約85重量パーセントを構成し、該バインダマトリックスは外部保護トップコーティングの約1〜約45重量パーセントを構成し、該外部保護トップコーティングは3.8マイクロメートルRaよりも大きくない表面粗さを有し、断熱皮膜が該断熱皮膜の使用中の温度の関数として決定された厚さを有する。
さらに別の様態では、本発明は、ガスタービンエンジン構成部品上の断熱被覆を覆って施した保護トップコーティングのはく離を防止する方法に関し、本方法は、保護トップコーティングのはく離が起こる時期を、断熱被覆の最小有効厚さと使用中の温度との関数として決定する段階と、最小有効厚さに少なくとも等しい断熱被覆の厚さを選定する段階とを含む。
次に、以下に示す詳細な図面に関連させて、本発明を詳細に説明する。
典型的なガスタービン2は、多段圧縮機と、多数(例えば、6個、10個、14個等)の燃焼器(ロータの周りで円形配列に配向された)と、3つ又は4つのタービン段とを含む。図1に示すように、タービン2の各燃焼器10は、スロット冷却式ライナ組立体16によって囲まれた燃焼室14を含み、該スロット冷却式ライナ組立体16は、次ぎにフロースリーブ18内部に部分的に内包されている。ライナ組立体16及びフロースリーブ18は、円筒形の燃焼ケーシング20内部に内包されている。燃料ノズル組立体22は、ケーシング20の後部に取付けられ、燃料を燃焼室に供給する。圧縮機吐出空気は、フロースリーブとライナと間を逆方向の流れて燃焼ゾーン又は燃焼室内に至るように燃焼器に供給される。燃焼ガスは、各燃焼器に連結された移行部品を介してタービン段に供給される。そのような移行部品の1つを、符号24で示している。
次に図2を参照すると、全体を符号26で示すタービンロータは一般的に、例えばロータホイール28、30、32及び34のような連続的に重なった要素を含み、これらホイールは、スペーサ36、38及び40が該ホイールの間で交互になった状態で例示的な4段タービンロータの部分を形成する。ホイール28、30、32及び34は各々、それぞれ符号42、44、46及び48で示す複数の円周方向に間隔をおいて配置されたタービンバケットを支持する。固定ノズル50、52、54及び56は、隣接するバケットの列と組合さって4つのタービン段を形成する。
このように、図1及び図2は、本明細書で説明するTBC及びトップコーティングについての候補である、タービン2の高温通路内の様々な構成部品を示す。
簡単にするために、本発明は、高圧ノズル構成部品(例えば、図2に示すようなノズル50)を参照して説明することにするが、本発明は、タービンの高温ガス通路セクション内部で作動する任意の構成部品に対して総じて適用可能であることを理解されたい。そのような構成部品には、回転バケット又はブレード、ライナを含む燃焼器金属部品、移行部品、燃焼室キャップ及びスプラッシュプレート等が含まれる。
ノズル50は一般的に、ガスタービンエンジン作動時に高温燃焼ガスがそれに対して向けられる翼形部分を含み、従って該翼形部分の表面は、酸化、高温侵食及び腐食による厳しい攻撃に曝される。
図3は示すのは、当該技術では公知の型の断熱皮膜(TBC)系58である。図示するように、皮膜系は、ノズル50の基材を表わす基体56を覆うボンディングコート60を含む。ノズル50に適した材料には、等軸の、一方向凝固かつ単結晶のニッケル、鉄及びコバルト基超合金が含まれ、さらにセラミックマトリックス複合材(CMC)材料を含む非金属構造材料が含まれる。ボンディングコート60は、MCrAlX(ここで、Mは鉄、コバルト及び/又はニッケルであり、Xはイットリウム又は他の希土類元素である)のようなオーバレイ皮膜又は白金アルミナイドのような拡散アルミナイド皮膜とすることができる。ボンディングコート60は、断熱皮膜(TBC)62を基体56に付着させるものとして示している。TBC62として好ましい材料は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)であり、その好ましい組成は約3〜約8重量パーセントのイットリア含むものであるが、アルミナ、非安定化ジルコニア、或いはマグネシア、セリア、スカンジア又は他の酸化物によって部分的に又は完全に安定化させたジルコニアのような他のセラミック材料を用いることもできる。
TBC62は、それによって溶融材料の「スプラット」がボンディングコート60上に溶着される空気プラズマ溶射(APS)によって堆積されたものとして示している。図に示すように、TBC62は、プラズマ溶射によって形成された皮膜内に一般的に発生するある程度の不均一性及び多孔性を有する。加えて、TBC62の表面は比較的粗く、APSによって溶着されたYSZ(APSTBC)の場合には200〜500マイクロインチRa(約5〜13マイクロメートルRa)の表面粗さが一般的である。APSによってTBC62を溶着させることは特に好適であるが、低圧プラズマ溶射(LPPS、これは真空プラズマ溶射(VPS)としても知られている)のような他のプラズマ溶射法も使用できる。TBC62は、下にある基体56に必要な耐熱保護を与えるのに十分な厚さまで堆積され、翼形部分では約75〜約500マイクロメートル程度である。
多くのTBC系が、APSによって溶着されたYSZを最外層として使用するが、その欠点には、TBC表面の粗さ、耐食性及び赤外線(IR)放射に対する透過率が含まれる。ガスタービンエンジンの動作環境内では、表面粗さにより、燃焼ガスから構成部品への乱流輸送が増大し、空気力学的性能を低下させる。表面粗さは、バレル研磨又は手研磨のような研磨によって減少させることができるが、TBCの最終表面仕上げ及び厚さは厳密には制御できず、また付加的な処理コストは望ましくない。結晶YSZは腐食に対する非常に大きい耐性を有するが、YSZ APSTBCの耐食性は、微粒子の衝突によってTBCの小片が遊離することによって生じる多孔及び「微小割れ」構造の結果として、著しく低下する。IR透過率に関しては、分析によると、APSによって約200〜500マイクロメートルの厚さに堆積した場合、YSZは熱放射(約780ナノメートル〜約1ミリメートルの波長)に対して約20〜40パーセントの透過率を有することを示した。その結果、YSZ APSTBCによって与えられる耐熱保護は、ガスタービンエンジン内部のような高熱放射負荷の環境においては、十分とはいえない。
上記の問題に対処するために、図3のTBC62は、保護トップコーティング64によってその上を被覆される。ノズル44上の最外層として、保護被覆64はノズルの表面粗さを決定する。本発明の保護トップコーティング64はまた、熱放射及び腐食に対する障壁としての役目も果たす。保護トップコーティング64は、その厚さ、組成及び堆積方法の結果として本発明のこれらの特徴を達成する。
保護トップコーティング64は一般的に、アルミナ系シリカ結合セラミック材料である。より具体的には、保護トップコーティング64は、バインダマトリックス内部に分散したアルミナ(Al)粒子を含み、該バインダマトリックスは、シリカ(SiO)、ケイ酸塩及び/又はムライト(3Al2SiO)から成り、それらの相対量が焼成温度とその後の皮膜64に見られる使用温度に応じて変わり、またより高い温度ではムライト形成量がより大きくなる。アルミナ粒子は、外部保護トップコーティング64の少なくとも5〜最大約85重量パーセントを構成し、一方、シリカ含有バインダマトリックスは、保護トップコーティング64の約1〜約45重量パーセントを構成する。保護トップコーティング64内でのアルミナとシリカ系マトリックス材料との相対量は、所望の特性に応じて調整できる。シリカ含有量が高いほど皮膜64のCTEが下がり、ガラス相の形成が促進されるが、CTEが高いほど保護トップコーティング64の金属基体58とのCTE不整合が減少するので、アルミナ含有量が高いほど、総じて好ましい上記と反対の効果が得られる。保護被覆64に対する付加的なセラミック成分には、適切に存在量が制限された場合、ジルコニア(特にYSZ)、チタン酸亜及びガラス材料が含まれる。例えば、ジルコニアの添加は皮膜64のCTEを増大させる利点があり、またチタン酸亜鉛の添加は熱放射に対する皮膜64の反射率を増加させる。
アルミナ粒子は、保護トップコーティング64内部に2つの別個の粒径範囲で存在することができる。そのような二峰性粒度分布を使用する場合、より粗い成分に対する適切な粒径範囲は直径が約3.0〜約6.0マイクロメートルであり、この粒径範囲の粒子は保護皮膜の約15〜約55重量パーセントを構成する。より粗い成分における好ましいアルミナ粉体は、直径が約3.0〜約5.5マイクロメートルの粒径範囲を有する。二峰性粉体のより細かいアルミナ粒子の適切な粒径範囲は、直径が約0.05〜約0.8マイクロメートルであり、この粒径範囲の粒子は皮膜64の約8〜約45重量パーセントを構成する。より細かい成分に対する好ましいアルミナ粉体は、直径が約0.10〜約0.6マイクロメートルの粒径範囲を有する。好ましい粒径範囲では、より細かい粒子は、保護皮膜64の表面においてより粗い粒子間の空隙を充たして、APSによって堆積させた場合のTBC62に対して可能な表面粗さ(一般的に約10〜15マイクロメートルRa(約500〜600マイクロインチRa))よりも著しく滑らかな、約2.5マイクロメートルRaよりもおおきくない、典型的には約1.5〜2.5マイクロメートルRa(約50〜400/500Ra)の範囲の表面粗さを達成する。二峰性粒度分布を有するアルミナ粒子の別の利点は、非常に高い温度では保護トップコーティング64のマトリックス内部のシリカが、優先的に細かいアルミナ粒子と反応してムライト相を形成することである。
より粗い及びより細かい両方の成分用のアルミナ粉体は、市場で入手可能である。例えば、より粗い成分に適したアルミナ粉体は、ALCOAから商品番号A14で入手可能であり、これは、低ソーダ含有量(NAO<0.1パーセント)であり、比表面積は約0.5m/gである。より細かい成分に適したアルミナ粉体は、Baikowski International Corporationからの商品番号BaikaloxSM8で入手可能であり、比表面積が約10m/gであり、凝集粒度分布(累積重量基準)が、0.3マイクロメートル以下が65%、0.4マイクロメートル以下が78%、0.6マイクロメートル以下が95%、及び1.0マイクロメートル以下が100%である。
2.5マイクロメートルRaよりも大きくない所望の表面粗さを達成するために、保護トップコーティング64は、下にあるTBC62よりも滑らかな表面仕上げを有するような方法で堆積できなければならない。1つの実施形態では、保護トップコーティング64は、アルミナ粒子、シリカ含有マトリックスの前駆体及びキャリア液又は溶媒を含むスラリーを噴霧することによって堆積される。スラリーに対する適切な前駆体は、ポリメチルシロキサンのようなシリコーンであり、その具体的な例は、GE Siliconesによって製造された製品名SR350の樹脂であり、この樹脂は、ポリシロキサン族のメチルセスクイシロキサンとして分類される。適切なキャリア液は、メタノール又はエタノールのような無水アルコールであるが、アセトン、イソプロピールアルコール又はトリクロロエチレンも使用できる。適切なスラリーは、約40〜約65重量パーセントのアルミナ粉体(上記の2つの粒径範囲を有するのが好ましい)、約1〜約45重量パーセントのシリカ前駆体及び約5〜約90重量パーセントのキャリア液を含む。付加的かつ任意選択的な成分は、スラリーの最大約50重量パーセントまでのチタン酸亜鉛であり、これは皮膜64の熱放射に対する反射率を増大させる。当該技術では公知の任意の適切な噴霧器を用いてTBC62上に噴霧された後に、組成物は、室温で乾燥され、次に焼成されて、表面粗さが約40〜150マイクロインチRa(約1〜約3.8マイクロメートルRa)の範囲にある実質的に均質な保護皮膜64を形成することができる。噴霧された保護皮膜64の組成は、約30〜約55重量パーセントの粗粒アルミナ、約20〜約40重量パーセントの細粒アルミナ、最大約30重量パーセントまでのチタン酸亜鉛(存在する場合)及び約25〜約45パーセントのシリカ含有マトリックスであるのが好ましい。
保護トップコーティング64の外部層は、アルミナ粉体及びシリカ前駆体に加え、ガラスフリット材料及びチタン酸亜鉛(ZnTiO)を含むことができ、そのうちの後者は皮膜の反射率を増大させる。
保護皮膜64の厚さ、構造及び特性は、焼成温度及び使用期間によって調整可能である。保護トップコーティングの適切な厚さは、約25〜約150マイクロメートルの範囲内とすることができる。本発明によると、TBC62の厚さは以下に説明するように、TBCの作動温度又は使用中の温度の関数として決定されるのが好ましい。次ぎに、TBC62の厚さと約955°C〜1200°C(1750°F〜2200°F)の温度範囲内での使用で作動するように設計されたTBCの作動温度との関係をグラフ形式で表わした図4を参照する。例えばTBC62の作動温度が1900°C〜(2000°F)である場合、TBC62の最小許容可能厚さは、約5.5ミルとなる。許容可能水準以下、即ち曲線の下側での厚さでは、保護トップコーティング64のはく離を生じ、構成部品の損傷すら起こす可能性があることになる。保護トップコーティング64のはく離を防止するためには、TBC62の厚さは、少なくともかつ好ましくは、曲線によって表わされる最小有効厚さよりも大きくされるべきである。予想TBC温度に応じて種々のタービン構成部品に対して適切なグラフを開発可能であることを理解されたい。
現在最も現実的かつ好ましい実施形態と考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
典型的な燃焼器構成部品を示す、公知のガスタービンの一つのセクションの部分断面図。 図1に示す燃焼器構成部品の下流のタービン段を示す、ガスタービンの別のセクションの断面図。 本発明によるガスタービンノズルを通しての部分断面図。 TBCの使用中の温度に対する保護トップコーティングの厚さをプロットしたグラフ。
符号の説明
56 構成部品の基体
58 断熱皮膜系
60 ボンディングコート
62 断熱皮膜
64 保護トップコーティング

Claims (9)

  1. 表面上に断熱皮膜(62)を有する構成部品(50)であって、
    前記構成部品が前記断熱皮膜を覆う外部保護トップコーティング(64)を含み、
    前記外部保護トップコーティングがシリカ含有マトリックス内にアルミナ粒子を含み、
    前記アルミナ粒子が前記外部保護トップコーティングの約5〜約85重量パーセントを構成し、前記シリカ含有マトリックスが、シリカ、ケイ酸塩及びムライトのうちの少なくとも1つを本質的に含みかつ前記外部保護トップコーティングの約1〜約45重量パーセントを構成し、前記断熱皮膜が該断熱皮膜の使用中の温度の関数として決定された厚さを有する、構成部品。
  2. 前記外部保護トップコーティング(64)が、ガラス材料、ジルコニア系材料及びチタン酸亜鉛のうちの少なくとも1つをさらに含む、請求項1記載の構成部品。
  3. 前記外部保護トップコーティング(64)が、前記アルミナ粒子の2つの粒径範囲を含み、前記2つの粒径範囲の第1が約3.0〜約6.0マイクロメートルであり、該2つの粒径範囲の第2が約0.05〜約0.8マイクロメートルである、請求項1記載の構成部品。
  4. 前記第1の粒径範囲内のアルミナ粒子が、前記外部保護被覆の約15〜約55重量パーセントを構成し、前記第2の粒径範囲内のアルミナ粒子が、前記外部保護トップコーティングの約8〜約45重量パーセントを構成する、請求項1記載の構成部品。
  5. 前記外部保護トップコーティング(64)が、約25〜約150マイクロメートルの厚さを有する、請求項1記載の構成部品。
  6. 固定タービンノズル(50)を含む、請求項1記載の構成部品。
  7. 表面上に部分安定化ジルコニアの断熱皮膜(62)を有するガスタービンエンジン構成部品(50)であって、
    前記構成部品が前記断熱皮膜を覆う外部保護トップコーティング(64)を含み、
    前記外部保護トップコーティングがバインダマトリックス内にアルミナ粒子を含み、
    前記バインダマトリックスがシリカ、ケイ酸塩及びムライトのうちの少なくとも1つを本質的に含み、
    前記アルミナ粒子が前記外部保護トップコーティングの約5〜約85重量パーセントを構成し、前記バインダマトリックスが前記外部保護トップコーティングの約1〜約45重量パーセントを構成し、前記外部保護トップコーティングが3.8マイクロメートルRaよりも大きくない表面粗さを有し、前記断熱皮膜が該断熱皮膜の使用中の温度の関数として決定された厚さを有する、タービンエンジン構成部品。
  8. 前記構成部品と前記断熱被覆との間にボンディングコート(60)を含む、請求項7記載のタービン構成部品。
  9. ガスタービンエンジン構成部品(50)上の断熱被覆(62)を覆って施した保護トップコーティング(64)のはく離を防止する方法であって、
    (a)前記保護トップコーティング(64)のはく離が起こる時期を、前記断熱被覆(62)の最小有効厚さと使用中の温度との関数として決定する段階と、
    (b)前記最小有効厚さに少なくとも等しい前記断熱被覆(62)の厚さを選定する段階と、
    を含む方法。
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