CN104550979B - 一种钼铌合金靶材板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钼铌合金靶材板的制备方法,将钼粉放入气流磨中,通入氩气,调节气体压力得到三种粒度分布的钼粉;将铌粉放入气流磨中,通入氩气,调节气体压力得到三种粒度分布的铌粉;分别将钼粉与铌粉混合得到三种粒度分布的钼铌合金粉;将钼铌合金粉末压制成坯料,置于中频炉中氢气烧结,即得到钼铌合金靶材板。本发明钼铌合金靶材板的制备方法,操作简单、成本低,通过粉末冶金方法即可直接烧制出高质量的钼铌合金靶材板,本发明三种不同粒度分布的钼铌合金粉经过冷等静压压制出板坯,中频氢气烧制出密度大于9.8g/cm3、O含量低于1000ppm的高品质钼铌合金靶材板。
Description
技术领域
本发明属于合金靶材制备技术领域,具体涉及一种钼铌合金靶材板的制备方法。
背景技术
钼和铌均为稀有难熔金属,但相对于钼来说,铌具有较好的室温塑性、较低的塑-脆转变温度、良好的抗氧化性以及较为优异的耐腐蚀性。因此,在许多特定的应用领域,通过在钼金属中添加一定量的铌金属以形成钼铌合金,以此改善钼的某些性能。
钼铌合金的用途之一是平面显示器用溅射靶材,通过溅射形成其电极和配线材料。研究表明,钼具有比阻抗和膜应力仅为铬的1/2的优势,而且不存在环境污染问题,因此成为平面显示器溅射靶材的首选材料之一。随着市场对各种类型溅射薄膜材料的广泛应用,对溅射靶材这一具有高附加值的功能材料需求也在逐年增加,相应的对其技术指标的要求越来越严格。近年来,国内外在高纯钼溅射靶材技术研究及生产上取得了较大的突破,但随着电子行业综合性能和使用环境要求的提高,对溅射薄膜的质量要求越来越高。由于纯钼靶材溅射出的薄膜在耐腐蚀性(变色)和密着性(膜的玻璃)方面存在问题,虽然纯Mo膜的比阻抗(12~13μΩ.cm)约为Cr的1/2,应力也较低,但在耐腐蚀性试验中(在约25℃的纯水中浸渍25天)会产生膜剥离及消失现象。而80Mo-20Nb的合金膜则不会产生膜剥离,也不会产生变色,仍可保持金属光泽。因此,目前在TFT-LCD的制造过程中,在钼靶材中加入铌合金元素制备成钼铌合金靶材,使溅射后溅射薄膜的比阻抗、应力、耐腐蚀性等各种性能达到均衡。
溅射靶材产品决定着溅镀薄膜的物理、力学性能,影响镀膜质量,因而靶材质量评价指标较为严格。主要指标有:1)杂质含量低,纯度高。靶材的纯度影响薄膜的均匀性。2)高致密度。高致密度靶材具有导电导热性好、强度高等优点,使用这种靶材镀膜,溅射功率小,成膜速率高,薄膜不易开裂,靶材使用寿命长,而且溅镀薄膜的电阻率低,透光率高。3)成分与组织结构均匀。靶材成分均匀是镀膜质量稳定的重要保证。4)晶粒尺寸细小。靶材的晶粒尺寸越细小,溅镀薄膜的厚度分布越均匀,溅射速率越快。
常规制作靶材的方法多采用压力加工方法,即坯料经过锻造或轧制使晶粒得到细化,致密度提高,但是成本较高。而直接用粉末冶金方法烧制出的板材其优点是靶材成分均匀,但缺点是密度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种钼铌合金靶材板的制备方法,解决了现有加工方法成本高、密度低的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种钼铌合金靶材板的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,将粒度分布d50:9.0~20.0μm的钼粉放入气流磨中,通入氩气,调节气体压力得到三种粒度分布d50:5.0~7.0μm、8.0~10.0μm、11.0~13.0μm的钼粉;
步骤2,将粒度分布为d50:15.0~30.0μm的铌粉放入气流磨中,通入氩气,调节气体压力得到三种粒度分布d50:5.0~6.0μm、7.0~8.0μm、9.0~10.0μm的铌粉;
步骤3,分别将粒度分布为d50:5.0~7.0μm与粒度分布为d50:5.0~6.0μm的铌粉混合、将粒度分布为d50:8.0~10.0μm的钼粉与粒度分布为d50:7.0~8.0μm的铌粉混合、将粒度分布为d50:11.0~13.0μm的钼粉与粒度分布为d50:9.0~10.0μm的铌粉混合,然后分别置于真空三维混料机中混合均匀,得到三种粒度分布为d50:5.0~7.0μm、8.0~10.0μm、11.0~13.0μm的钼铌合金粉;
步骤4,将步骤3得到的钼铌合金粉末在冷等静压机中在150~300Mpa下压制成坯料,置于中频炉中氢气烧结,即得到钼铌合金靶材板。
本发明的特点还在于:
步骤1中气体压力为1.6~2.0Mpa时得到粒度分布d50:5.0~7.0μm的钼粉;气体压力为1.0~1.5Mpa时得到粒度分布d50:8.0~10.0μm的钼粉;气体压力为0.5~0.8Mpa时得到粒度分布d50:11.0~13.0μm的钼粉。
步骤2中气体压力为3.0~3.5Mpa时得到粒度分布d50:5.0~6.0μm的铌粉;气体压力为2.2~2.8Mpa时得到粒度分布d50:7.0~8.0μm的铌粉;气体压力为1.0~2.0Mpa时得到粒度分布d50:9.0~10.0μm的铌粉。
步骤3中钼粉与铌粉的质量比为4~19:1。
步骤3中钼粉和铌粉混合后在真空三维混料机中混合均匀的时间为1~1.5h。
步骤4中粒度分布为d50:5.0~7.0μm的钼铌合金粉的烧结温度区分别为0~900℃、900~1400℃、1400~1700℃、1700~1930℃,每个温度区至少烧结5h。
步骤4中粒度分布为d50:8.0~10.0μm的钼铌合金粉的烧结温度区分别为0~1000℃、1000~1500℃、1500~1700℃、1700~1950℃,每个温度区至少烧结5h。
步骤4中粒度分布为d50:11.0~13.0μm的钼铌合金粉的烧结温度区分别为0~1000℃、1000~1600℃、1600~1800℃、1800~1980℃,每个温度区至少烧结5h。
本发明的有益效果是,本发明钼铌合金靶材板的制备方法,操作简单、成本低,通过粉末冶金方法即可直接烧制出高质量的钼铌合金靶材板,本发明三种不同粒度分布的钼铌合金粉经过冷等静压压制出板坯,中频氢气烧制出密度大于9.8g/cm3、O含量低于1000ppm的高品质钼铌合金靶材板。
附图说明
图1是实施例1制备得到的钼铌合金靶材板SEM图;
图2是实施例2制备得到的钼铌合金靶材板SEM图;
图3是实施例3制备得到的钼铌合金靶材板SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明钼铌合金靶材板的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,将粒度分布d50:9.0~20.0μm的钼粉放入气流磨中,通入氩气,调节气体压力得到三种粒度分布d50:5.0~7.0μm、8.0~10.0μm、11.0~13.0μm的钼粉;
其中气体压力为1.6~2.0Mpa时得到粒度分布d50:5.0~7.0μm的钼粉;气体压力为1.0~1.5Mpa时得到粒度分布d50:8.0~10.0μm的钼粉;气体压力为0.5~0.8Mpa时得到粒度分布d50:11.0~13.0μm的钼粉;
步骤2,将粒度分布为d50:15.0~30.0μm的铌粉放入气流磨中,通入氩气,调节气体压力得到三种粒度分布d50:5.0~6.0μm、7.0~8.0μm、9.0~10.0μm的铌粉;
其中气体压力为3.0~3.5Mpa时得到粒度分布d50:5.0~6.0μm的铌粉;气体压力为2.2~2.8Mpa时得到粒度分布d50:7.0~8.0μm的铌粉;气体压力为1.0~2.0Mpa时得到粒度分布d50:9.0~10.0μm的铌粉;
步骤3,分别将粒度分布为d50:5.0~7.0μm的钼粉与粒度分布为d50:5.0~6.0μm的铌粉混合、将粒度分布为d50:8.0~10.0μm的钼粉与粒度分布为d50:7.0~8.0μm的铌粉混合、将粒度分布为d50:11.0~13.0μm的钼粉与粒度分布为d50:9.0~10.0μm的铌粉混合,钼粉与铌粉的质量比为4~19:1,然后分别置于真空三维混料机中混合1~1.5h,得到三种粒度分布为d50:5.0~7.0μm、8.0~10.0μm、11.0~13.0μm的钼铌合金粉;
步骤4,将步骤3得到的钼铌合金粉末在冷等静压机中在150~300Mpa下压制成坯料,置于中频炉中氢气烧结,即得到钼铌合金靶材板。
其中粒度分布为d50:5.0~7.0μm的钼铌合金粉的烧结温度区分别为0~900℃、900~1400℃、1400~1700℃、1700~1930℃,每个温度区至少烧结5h;粒度分布为d50:8.0~10.0μm的钼铌合金粉的烧结温度区分别为0~1000℃、1000~1500℃、1500~1700℃、1700~1950℃,每个温度区至少烧结5h;粒度分布为d50:11.0~13.0μm的钼铌合金粉的烧结温度区分别为0~1000℃、1000~1600℃、1600~1800℃、1800~1980℃,每个温度区至少烧结5h。
本发明采用的是将粉末颗粒按照不同粒度进行分级,每级的粉末粒度分布较窄的原则进行设计,主要是通过设计气流磨气体的压力,将前驱粉末分别进行重新分配,得到三种不同粒度分布的钼粉、铌粉。
气流磨分级钼粉的气体压力的设计,金属钼粉颗粒大多为球形或多面体形,且颗粒通常是由单颗粒以某种方式聚集而成的二次颗粒,还有一部分是以很多小晶粒团聚成大颗粒组成,粉末颗粒的聚集状态和程度影响粉末的工艺性能,尤其对压坯的烧结过程及烧结制品的密度影响很大,团聚二次颗粒越多,烧结过程内部气体及杂质元素不易排出,气孔较难闭合,进而影响制品的密度及杂质元素含量。针对以上问题,本发明采用气流磨设备对钼粉进行分级,将不同粒度的钼粉按照颗粒尺寸进行分级,分级后各级别的钼粉颗粒尺寸均等,且没有团聚。同时,为了保证钼粉中的O元素不增加,气体选用氩气。设计的气体压力分别为:1.6~2.0MPa,钼粉粒度分布为d50:5.0~7.0μm;1.0~1.5MPa,钼粉粒度分布为d50:8.0~10.0μm;0.5~0.8MPa,钼粉粒度分布为d50:11.0~13.0μm。
气流磨分级铌粉的气体压力的设计,金属铌粉不同于钼粉的形貌,铌粉颗粒为不规则块状,大小不均匀,金属铌以一定比例加入到钼粉中,为了能够得到性能优异钼铌合金,铌粉的性能也起到至关重要的作用,因此铌粉的粒度分布应和钼粉进行一定比例的搭配,针对铌粉和钼粉的不同性能,气体压力的大小需不同于分级钼粉的压力。同时,为了保证铌粉中的O元素不增加,气体选用氩气。设计的气体压力分别为:3.0~3.5MPa,铌粉粒度分布为d50:5.0~6.0μm;2.2~2.8MPa,铌粉粒度分布为d50:7.0~8.0μm;1.0~2.0MPa,铌粉粒度分布为d50:9.0~10.0μm。
粉末烧结过程首先是将粉末放入设计好尺寸的矩形模具中,在150~300MPa压力下压制出具有一定强度的坯料,随后放入中频炉中氢气烧结,烧结使粉末颗粒之间发生一系列物理和化学变化,其结果是烧结体强度增加,密度也显著提高。烧结一般分为三个阶段:低温预烧阶段、中温升温烧结阶段、高温保温阶段。烧结过程中一般会有以下变化:(1)粉末烧结材料中如有较多的氧化物、孔隙及其他杂质,则聚晶长大受阻碍,故其晶粒较细;相反,粉末纯度越高,晶粒长大趋势也越大。(2)烧结材料中晶粒显著长大的温度较高,仅当粉末压制采用极高压力时,才显著降低。(3)粉末粒度影响聚晶长大,因为孔隙尺寸随粉末粒度增大而增大,对晶界移动的阻力也增加,故聚晶长大趋势减小。(4)烧结金属在临界变形程度下,再结晶后晶粒显著长大的现象不明显,而且晶粒没有明显的取向性,因为粉末压制时颗粒内的塑性变形是不均匀的。
实施例1
步骤1、称取10kg钼粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为1.8MPa,得到粒度分布d50为5.8μm的钼粉。称取10kg铌粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为3.2MPa,得到粒度分布d50为5.2μm的铌粉。
步骤2、将钼粉、铌粉按照9:1的质量比混合,放入真空三维混料机中混合1.5h,得到粒度分布d50为5.6μm的钼铌合金粉。
步骤3、混合好的钼铌合金粉放入预制的模具中,冷等静压压制出一定规格的板坯。
步骤4、将板坯放入中频炉中,按照以下工艺氢气烧结:0~900℃、900~1400℃、1400~1700℃、1700~1930℃,每个温度区烧结5.5h,得到密度为9.87g/cm3、O含量为980ppm的钼铌合金靶材板。
图1为实施例1制备得到的钼铌合金靶材板的SEM照片。图1中板的晶粒为等轴晶,且大小均匀,没有团聚颗粒存在,晶粒内及晶界上的气孔小而少,晶粒致密,两个相邻晶粒间的晶界结合紧密,晶粒尺寸约为20μm。
实施例2
步骤1、称取10kg钼粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为1.2MPa,得到粒度分布d50为9.2μm的钼粉。称取10kg铌粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为2.6MPa,得到粒度分布d50为7.8μm的铌粉。
步骤2、将钼粉、铌粉按照9.5:0.5的质量比,放入真空三维混料机中混合1.2h,得到粒度分布d50为8.8μm的钼铌合金粉。
步骤3、混合好的钼铌合金粉放入预制的模具中,冷等静压压制出一定规格的板坯。
步骤4、将板坯放入中频炉中,按照以下工艺氢气烧结:0~1000℃、1000~1500℃、1500~1700℃、1700~1950℃,每个温度区烧结6h,得到密度为9.85g/cm3、O含量为920ppm的钼铌合金靶材板。
图2为实施例2制备得到的钼铌合金靶材板的SEM照片。图2中板的晶粒为等轴晶,且大小均匀,没有团聚颗粒存在,晶粒内及晶界上的气孔小而少,晶粒致密,两个相邻晶粒间的晶界结合紧密,晶粒尺寸约为20μm。
实施例3
步骤1、称取10kg钼粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为0.7MPa,得到粒度分布d50为11.8μm的钼粉。称取10kg铌粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为1.7MPa,得到粒度分布d50为9.7μm的铌粉。
步骤2、将钼粉、铌粉按照8:2的质量比,放入真空三维混料机中混合1h,得到粒度分布d50为11.2μm的钼铌合金粉。
步骤3、混合好的钼铌合金粉放入预制的模具中,冷等静压压制出一定规格的板坯。
步骤4、将板坯放入中频炉中,按照以下工艺氢气烧结:0~1000℃、1000~1600℃、1600~1800℃、1800~1980℃,每个温度区烧结7h,得到密度为9.80g/cm3、O含量为900ppm的钼铌合金靶材板。
图3为实施例3制备得到的钼铌合金靶材板的SEM照片。图3中板的晶粒为等轴晶,且大小均匀,没有团聚颗粒存在,晶粒内及晶界上的气孔小而少,晶粒致密,两个相邻晶粒间的晶界结合紧密,晶粒尺寸约为20μm。
实施例4
步骤1、称取10kg钼粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为1.6MPa,得到粒度分布d50为7.0μm的钼粉。称取10kg铌粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为3.5MPa,得到粒度分布d50为5.0μm的铌粉。
步骤2、将钼粉、铌粉按照12:1的质量比混合,放入真空三维混料机中混合1h,得到粒度分布d50为7.0μm的钼铌合金粉。
步骤3、混合好的钼铌合金粉放入预制的模具中,冷等静压压制出一定规格的板坯。
步骤4、将板坯放入中频炉中,按照以下工艺氢气烧结:0~900℃、900~1400℃、1400~1700℃、1700~1930℃,每个温度区烧结6h,得到密度为9.86g/cm3、O含量为970ppm的钼铌合金靶材板。
实施例5
步骤1、称取10kg钼粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为2.0MPa,得到粒度分布d50为5.0μm的钼粉。称取10kg铌粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为3.0MPa,得到粒度分布d50为6.0μm的铌粉。
步骤2、将钼粉、铌粉按照10:1的质量比混合,放入真空三维混料机中混合1.2h,得到粒度分布d50为5.0μm的钼铌合金粉。
步骤3、混合好的钼铌合金粉放入预制的模具中,冷等静压压制出一定规格的板坯。
步骤4、将板坯放入中频炉中,按照以下工艺氢气烧结:0~900℃、900~1400℃、1400~1700℃、1700~1930℃,每个温度区烧结5h,得到密度为9.90g/cm3、O含量为980ppm的钼铌合金靶材板。
实施例6
步骤1、称取10kg钼粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为1.5MPa,得到粒度分布d50为8.0μm的钼粉。称取10kg铌粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为2.2MPa,得到粒度分布d50为8.0μm的铌粉。
步骤2、将钼粉、铌粉按照5:1的质量比,放入真空三维混料机中混合1.2h,得到粒度分布d50为8.0μm的钼铌合金粉。
步骤3、混合好的钼铌合金粉放入预制的模具中,冷等静压压制出一定规格的板坯。
步骤4、将板坯放入中频炉中,按照以下工艺氢气烧结:0~1000℃、1000~1500℃、1500~1700℃、1700~1950℃,每个温度区烧结6h,得到密度为9.82g/cm3、O含量为950ppm的钼铌合金靶材板。
实施例7
步骤1、称取10kg钼粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为1.0MPa,得到粒度分布d50为10.0μm的钼粉。称取10kg铌粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为2.8MPa,得到粒度分布d50为7.0μm的铌粉。
步骤2、将钼粉、铌粉按照15:1的质量比,放入真空三维混料机中混合1.2h,得到粒度分布d50为10.0μm的钼铌合金粉。
步骤3、混合好的钼铌合金粉放入预制的模具中,冷等静压压制出一定规格的板坯。
步骤4、将板坯放入中频炉中,按照以下工艺氢气烧结:0~1000℃、1000~1500℃、1500~1700℃、1700~1950℃,每个温度区烧结6.5h,得到密度为9.82g/cm3、O含量为930ppm的钼铌合金靶材板。
实施例8
步骤1、称取10kg钼粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为0.5MPa,得到粒度分布d50为13.0μm的钼粉。称取10kg铌粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为2.0MPa,得到粒度分布d50为9.0μm的铌粉。
步骤2、将钼粉、铌粉按照19:1的质量比,放入真空三维混料机中混合1h,得到粒度分布d50为13.0μm的钼铌合金粉。
步骤3、混合好的钼铌合金粉放入预制的模具中,冷等静压压制出一定规格的板坯。
步骤4、将板坯放入中频炉中,按照以下工艺氢气烧结:0~1000℃、1000~1600℃、1600~1800℃、1800~1980℃,每个温度区烧结7.5h,得到密度为9.80g/cm3、O含量为880ppm的钼铌合金靶材板。
实施例9
步骤1、称取10kg钼粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为0.8MPa,得到粒度分布d50为11.0μm的钼粉。称取10kg铌粉,放入气流磨中,调节气流磨气体压力为1.0MPa,得到粒度分布d50为10.0μm的铌粉。
步骤2、将钼粉、铌粉按照15:1的质量比,放入真空三维混料机中混合1h,得到粒度分布d50为11.0μm的钼铌合金粉。
步骤3、混合好的钼铌合金粉放入预制的模具中,冷等静压压制出一定规格的板坯。
步骤4、将板坯放入中频炉中,按照以下工艺氢气烧结:0~1000℃、1000~1600℃、1600~1800℃、1800~1980℃,每个温度区烧结6.5h,得到密度为9.80g/cm3、O含量为920ppm的钼铌合金靶材板。
Claims (8)
1.一种钼铌合金靶材板的制备方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1,将粒度分布d50:9.0~20.0μm的钼粉放入气流磨中,通入氩气,调节气体压力得到三种粒度分布d50:5.0~7.0μm、8.0~10.0μm、11.0~13.0μm的钼粉;
步骤2,将粒度分布为d50:15.0~30.0μm的铌粉放入气流磨中,通入氩气,调节气体压力得到三种粒度分布d50:5.0~6.0μm、7.0~8.0μm、9.0~10.0μm的铌粉;
步骤3,分别将粒度分布为d50:5.0~7.0μm的钼粉与粒度分布为d50:5.0~6.0μm的铌粉混合、将粒度分布为d50:8.0~10.0μm的钼粉与粒度分布为d50:7.0~8.0μm的铌粉混合、将粒度分布为d50:11.0~13.0μm的钼粉与粒度分布为d50:9.0~10.0μm的铌粉混合,然后分别置于真空三维混料机中混合均匀,得到三种粒度分布为d50:5.0~7.0μm、8.0~10.0μm、11.0~13.0μm的钼铌合金粉;
步骤4,分别将步骤3得到的三种不同粒度的钼铌合金粉在冷等静压机中在150~300Mpa下压制成坯料,置于中频炉中氢气烧结,即得到钼铌合金靶材板。
2.根据权利要求1所述的钼铌合金靶材板的制备方法,其特征在于,步骤1中气体压力为1.6~2.0Mpa时得到粒度分布d50:5.0~7.0μm的钼粉;气体压力为1.0~1.5Mpa时得到粒度分布d50:8.0~10.0μm的钼粉;气体压力为0.5~0.8Mpa时得到粒度分布d50:11.0~13.0μm的钼粉。
3.根据权利要求1所述的钼铌合金靶材板的制备方法,其特征在于,步骤2中气体压力为3.0~3.5Mpa时得到粒度分布d50:5.0~6.0μm的铌粉;气体压力为2.2~2.8Mpa时得到粒度分布d50:7.0~8.0μm的铌粉;气体压力为1.0~2.0Mpa时得到粒度分布d50:9.0~10.0μm的铌粉。
4.根据权利要求1所述的钼铌合金靶材板的制备方法,其特征在于,步骤3中钼粉与铌粉的质量比为4~19:1。
5.根据权利要求1所述的钼铌合金靶材板的制备方法,其特征在于,步骤3中钼粉和铌粉混合后在真空三维混料机中混合均匀的时间为1~1.5h。
6.根据权利要求1~5任一所述的钼铌合金靶材板的制备方法,其特征在于,步骤4中粒度分布为d50:5.0~7.0μm的钼铌合金粉的烧结温度区分别为0~900℃、900~1400℃、1400~1700℃、1700~1930℃,每个温度区至少烧结5h。
7.根据权利要求1~5任一所述的钼铌合金靶材板的制备方法,其特征在于,步骤4中粒度分布为d50:8.0~10.0μm的钼铌合金粉的烧结温度区分别为0~1000℃、1000~1500℃、1500~1700℃、1700~1950℃,每个温度区至少烧结5h。
8.根据权利要求1~5任一所述的钼铌合金靶材板的制备方法,其特征在于,步骤4中粒度分布为d50:11.0~13.0μm的钼铌合金粉的烧结温度区分别为0~1000℃、1000~1600℃、1600~1800℃、1800~1980℃,每个温度区至少烧结5h。
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