CN107075916B - 热稳定多晶硬质材料与钎焊材料之间的化学强化粘结 - Google Patents
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Abstract
任选地与物理方法结合的化学方法可以用于增加由多晶材料与硬质复合材料之间的钎焊材料形成的粘结强度。钎焊到硬质复合材料的此类多晶材料可以在各种井筒工具、包括钻头刀具中找到。一种示例性方法可包括：在包含硬质材料的多晶材料主体的粘结表面上形成粘结层，所述粘结表面与所述多晶材料主体的接触表面相对，并且所述粘结层基本上由所述硬质材料的[111]晶体结构、所述硬质材料的[100]晶体结构或其组合形成；以及使用钎焊材料将所述粘结层钎焊到硬质复合材料。
Description
发明背景
本申请涉及将硬质复合材料粘结到多晶材料，所述多晶材料包括但不限于多晶金刚石(“PCD”)材料和热稳定多晶(“TSP”)材料。
在地下地层钻探或采矿操作期间，钻头和其部件常常经受极端条件(例如，高温、高压以及与研磨面接触)。如金刚石、立方氮化硼和碳化硅的硬质材料常常用在钻头与地层之间的接触点处，这是因为它们具有耐磨性、硬度以及远离与地层的接触点传导热的能力。
一般来说，此类硬质材料通过将硬质材料的颗粒与催化剂组合来形成，以使得当受热时，催化剂有助于硬质材料的生长和/或结合，以便将颗粒结合在一起来形成多晶材料。然而，催化剂在成形之后保留在多晶材料的主体内。因为催化剂通常具有比硬质材料更高的热膨胀系数，所以当多晶材料受热时(例如，在将多晶材料附接到钻头或其一部分(如刀具)的钎焊期间或在井下操作期间)，催化剂可能引起整个多晶材料的断裂。这些断裂弱化了多晶材料，并且可能导致钻头的寿命缩短。
为了减轻多晶材料的断裂，在将多晶材料暴露于升高的温度之前，通常移除至少一些催化剂，并且优选地移除大部分催化剂。移除了大量催化剂的多晶材料被称为热稳定多晶(“TSP”)材料。
特别是对于钻头，常常将TSP材料粘结到另一种材料(例如，硬质复合材料，如分散在铜粘合剂中的碳化钨颗粒)，以允许将更昂贵的TSP材料策略性地定位在所期望的与地层的接触点处。然而，在操作期间TSP材料与粘结TSP材料的表面的分离降低了钻头的功效并且缩短了钻头的寿命。
附图简述
以下附图被包括来用于说明本发明实施方案的某些方面，并且不应被视作排他性实施方案。如本领域的并且受益于本公开的技术人员将了解，所公开的主题能够在形式和功能上存在相当多的修改、改变、组合和等效形式。
图1是具有由硬质复合材料形成的基体钻头主体的基体钻头的剖视图。
图2是根据本公开的至少一些实施方案的包括多晶材料刀具的基体钻头的等距视图。
图3A和图3B是根据本公开的至少一些实施方案的多晶材料刀具的剖视图。
图4A和图4B示出设置在多晶材料主体的粘结表面上的掩模的侧视图和顶视图。
图5是示出适于与包括本公开的多晶材料刀具的基体钻头结合使用的钻探组件的一个实例的示意图。
具体实施方式
本申请涉及在形成井下工具的研磨部件(例如，用于钻头中的刀具)时，将多晶材料粘结到硬质复合材料。更具体地，本申请涉及任选地与物理方法结合的用于增加由多晶材料与硬质复合材料之间的钎焊材料形成的粘结强度的化学方法。本公开的教义可应用于其中多晶材料钎焊到硬质复合材料的任何井下工具或其部件。此类工具可包括用于钻井、完井以及从井中产生烃类的工具。此类工具的实例包括：切削工具，诸如钻头、铰刀、稳定器和取芯钻头；钻探工具，诸如旋转导向装置和泥浆马达；以及井下使用的其他工具，诸如开窗磨具(window mill)、封隔器、工具接头和其他易磨损工具。
图1是具有由硬质复合材料131形成的基体钻头主体50的基体钻头20的剖视图。示例性硬质复合材料可包括但不限于分散在粘合剂材料中的增强颗粒。如本文所使用的，术语“基体钻头”包括旋转刮刀钻头、刮刀钻头、固定刀具钻头以及具有基体钻头主体并且能够并入本公开教义的任何其他钻头。
对于诸如图1所示实施方案的实施方案，基体钻头20可包括金属柄30，其中金属坯料36(例如，在焊接位置39处)牢固地附接到所述金属柄30。金属坯料36延伸到基体钻头主体50中。金属柄30包括远离金属坯料36的螺纹连接件34。
金属柄30和金属坯料36是大体圆柱形结构，它们至少部分地限定了彼此流体连通的对应的流体腔32。金属坯料36的流体腔32可进一步纵向延伸到基体钻头主体50中。至少一个流动通道(示出为两个流动通道42和44)可从流体腔32延伸到基体钻头主体50的外部部分。喷嘴开口54可限定在流动通道42和44的位于基体钻头主体50外部部分处的端部处。
多个凹痕或凹槽58形成在基体钻头主体50中，并且被设定形状或以其他方式被构造来接收刀具。
图2是根据本公开的至少一些实施方案的包括多个刀具60的基体钻头的等距视图。如图所示，基体钻头20包括金属坯料36和金属柄30，如以上参照图1所概述的。
基体钻头主体50包括形成在基体钻头主体50的外部上的多个刀具刀片52。刀具刀片52可在基体钻头主体50的外部上彼此间隔开，以便在它们之间形成流体流动路径或废料槽62。
如图所示，多个凹槽58可形成在刀具刀片52中的选定位置处。刀具60可(例如，通过钎焊)牢固地安装在每个凹槽58中以便在钻探操作期间接合并移除地下地层的部分。更具体地，在基体钻头20旋转期间，每个刀具60可通过所附接的钻柱从井筒的底部和侧面刮去并凿出地层材料。
喷嘴56可设置在每个喷嘴开口54中。对于一些应用，喷嘴56可被描述或以其他方式被表征为“可互换的”喷嘴。
图3A和图3B分别是根据本公开的至少一些实施方案的示例性刀具60a和60b的剖视图。刀具60由多晶材料主体64形成，所述多晶材料主体64具有使用钎焊件68粘结到硬质复合材料主体66的粘结层76。粘结层76可基本上由对应硬质材料的[111]晶体结构、[100]晶体结构或两者形成。也就是说，至少50％的粘结层76可具有或以其他方式展现出[111]晶体结构、[100]晶体结构或其组合。在不受理论限制的情况下，据信[111]晶面和[100]晶面可具有到钎焊材料(例如，银、铜、镍、钛、钒、磷、硅、铝、钼等中的至少两种的合金)的较高的粘结强度，这可证明在井下使用期间对减轻多晶材料主体64与硬质复合材料主体66的分离是有用的。
作为非限制性实例，粘结层76可基本上由[111]晶体结构形成，并且钎焊件可以是具有钛作为活性元素的铜-硅合金。作为另一个非限制性实例，粘结层76可基本上由[100]晶体结构形成，并且钎焊件可以是具有钛作为活性元素的铜-硅共晶合金。
适于用作多晶材料主体64的多晶材料的实例可包括但不限于：多晶金刚石、多晶立方氮化硼、多晶碳化硅、TSP金刚石、TSP立方氮化硼、TSP碳化硅等。如以上更详细描述的，通过使随机取向的硬质材料(例如，金刚石、立方氮化硼和碳化硅)的小晶粒以及其他起始材料(例如，催化剂)的小晶粒经受超高的压力和温度条件来形成多晶材料。随后，可通过从结构中移除至少一部分催化剂来形成TSP材料。
所得的多晶材料主体64可限定并以其他方式提供与切削表面72相对的粘结表面70。由于形成或合成方法，表面70、72不具有优先的晶体结构。如图3A所示，粘结层76可形成在多晶材料主体64的粘结表面70上，本文提供另外的细节。可替代地，在图3B中，耐火氮化物层80可沉积在多晶材料主体64的粘结表面70上。随后，粘结层76可形成在耐火氮化物层80上。耐火氮化物层80可有助于形成或合成粘结层76的优选的金刚石晶体结构。
硬质复合材料主体66可限定并以其他方式提供粘结表面74。粘结层76和硬质复合材料主体66的粘结表面74可与钎焊件68耦接并以其他方式粘结在一起。此外，一旦多晶材料主体64与硬质复合材料主体66粘结，多晶材料主体64的切削表面72就被适当地定位，以使得当刀具60组装在钻头中，切削表面72被定位成在钻头的使用期间接合地层。
在一些实施方案中，粘结层76可通过化学气相沉积形成，在所述化学气相沉积中可以使用温度、气体成分和压力来优先形成[111]晶体结构、[100]晶体结构或其组合。例如，金刚石[111]晶体结构和金刚石[100]晶体结构可通过在氢等离子体中使氢气、氧气和含碳气体(例如，甲烷)反应而形成，其中粘结表面70或耐火氮化物层80的温度为600℃至1100℃。氢气、氧气和含碳气体的相对浓度可为200份至250份氢气、0.5份至3份氧气以及3份至8份含碳气体。在一些实施方案中，优先形成[111]晶体结构可通过维持30托或更高的总压力来实现。在一些实施方案中，优先形成[100]晶体结构可通过维持小于30托的总压力来实现。一般来说，当形成粘结层76时，可将粘结表面70或耐火氮化物层80加热到期望的温度，可仅利用氢气实现气体压力，并且可以启动等离子体(例如，使用微波功率)。随后，可以开始含碳气体的流动，然后是氧气。一旦所有气体流动(在相对流速可用于实现反应器中期望的气体浓度的情况下)，就可根据期望的粘结层76厚度而允许反应进行期望的时间量(例如，1小时至24小时)。
在一些实例中，粘结层76可具有的厚度为10微米至250微米，包括它们之间的子集(例如，50微米至200微米、100微米至250微米、或100微米至150微米)。
在一些实施方案中，当形成粘结层76或耐火氮化物层80时，可以使用掩模，以使得粘结层76或耐火氮化物层80仅形成在其一部分上。图4A和图4B分别示出设置在多晶材料主体64的粘结表面70上的掩模78的侧视图和顶视图，可替代地，所述掩模78可以是沉积在多晶材料主体64上的耐火氮化物层80。如在图4B中最佳地看出，掩模78仅覆盖粘结表面70的一部分，以使得可以仅在粘结表面70的暴露部分上形成粘结层76。这种掩蔽可有益于产生浮凸部(即，突起)，从而形成不均匀的粘结层76。不均匀的粘结层76可提供可与钎焊材料68接触的另外的表面积，并且从而潜在地增强了钎焊粘结的强度。
可使用适于耐受进一步处理以确保形成粘结层76的材料、通过任何已知方法(例如，光刻掩模)来形成掩模。适于用作掩模的材料的实例可包括但不限于：氧化硅、金属膜、光阻材料等。
掩模可用于形成任何图案，例如正方形、同心圆、条纹等。
用于形成本文所述的硬质复合材料主体66的硬质复合材料的实例可以由分散在粘合剂材料中的增强颗粒形成。示例性粘合剂材料可包括但不限于：铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟、其任何混合物、其任何合金以及其任何组合。粘合剂材料的非限制性实例可包括：铜-磷、铜-磷-银、铜-锰-磷、铜-镍、铜-锰-镍、铜-锰-锌、铜-锰-镍-锌、铜-镍-铟、铜-锡-锰-镍、铜-锡-锰-镍-铁、金-镍、金-钯-镍、金-铜-镍、银-铜-锌-镍、银-锰、银-铜-锌-镉、银-铜-锡、钴-硅-铬-镍-钨、钴-硅-铬-镍-钨-硼、锰-镍-钴-硼、镍-硅-铬、镍-铬-硅-锰、镍-铬-硅、镍-硅-硼、镍-硅-铬-硼-铁、镍-磷、镍-锰、铜-铝、铜-铝-镍、铜-铝-镍-铁、铜-铝-镍-锌-锡-铁等以及其任何组合。示例性增强颗粒可包括但不限于：金属、金属合金、金属碳化物、金属氮化物、金刚石、超耐热合金等或其任何组合的颗粒。适于结合本文所述的实施方案使用的增强颗粒的实例可包括多种颗粒，所述颗粒包括但不限于：氮化物、氮化硅、氮化硼、立方氮化硼、天然金刚石、合成金刚石、硬质合金、球形碳化物、低合金烧结材料、铸造碳化物、碳化硅、碳化硼、立方碳化硼、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化钨、粗晶碳化钨、铸造碳化钨、破碎的烧结碳化钨、渗碳碳化钨、钢、不锈钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不锈钢、陶瓷、铁合金、镍合金、铬合金、合金(含有镍-铬的合金，可从HaynesInternational获得)、合金(含有奥氏体镍-铬的超耐热合金，可从SpecialMetals Corporation获得)、(奥氏体镍基超耐热合金，可从UnitedTechnologies Corp.获得)、合金(含有镍-铬的合金，可从Altemp Alloys，Inc.获得)、合金(含有镍-铬的超耐热合金，可从Haynes International获得)、合金(含有铁-镍的超耐热合金，可从Mega Mex获得)、MP98T(镍-铜-铬超耐热合金，可从SPS Technologies获得)、TMS合金、合金(镍基超耐热合金，可从C-MGroup获得)、N-155合金、其任何混合物以及其任何组合。
图5是示出适于与包括本公开的刀具(例如，图2-3的刀具60)的基体钻头结合使用的钻探组件200的一个实例的示意图。应注意，虽然图5大体上描绘了陆上钻探组件，但是本领域的技术人员将容易地认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，本文所述的原理同样适用于采用浮动或海上平台和钻机的水下钻探操作。
钻探组件200包括耦接到钻柱204的钻探平台202。除了本公开的具体教义之外，钻柱204可包括但不限于钻管和连续油管，如本领域的技术人员通常已知的。根据本文所述的实施方案的基体钻头206附接到钻柱204的远端，并且由井下电机和/或通过钻柱204从井表面的旋转来驱动。当钻头206旋转时，其形成穿透地下地层210的井筒208。钻探组件200还包括使钻井液循环通过钻柱(如流动箭头A所示)和其他管道214的泵212。
本领域的技术人员将认识到，适于结合钻探组件200使用的其他设备可包括但不限于：保留坑、混合器、振动器(例如，泥浆振动筛)、离心机、水力旋流器、分离器(包括磁分离器和电分离器)、除泥器、除砂器、过滤器(例如，硅藻土过滤器)、热交换器以及任何流体回收设备。此外，钻探组件可包括一个或多个传感器、计量器、泵、压缩机等。
本文所公开的实施方案包括：
A.一种方法，其包括：在包含硬质材料的多晶材料主体的粘结表面上形成粘结层，所述粘结表面与所述多晶材料主体的接触表面相对，并且所述粘结层基本上由所述硬质材料的[111]晶体结构、所述硬质材料的[100]晶体结构或其组合形成；以及使用钎焊材料将所述粘结层钎焊到硬质复合材料；
B.一种方法，其包括：在包含硬质材料的多晶材料主体的粘结表面上沉积耐火氮化物层，所述粘结表面与所述多晶材料主体的接触表面相对；在所述耐火氮化物层上形成粘结层，所述粘结层基本上由所述硬质材料的[111]晶体结构、所述硬质材料的[100]晶体结构或其组合形成；以及使用钎焊材料将所述粘结层钎焊到硬质复合材料；以及
C.一种刀具，其包括：多晶材料主体，所述多晶材料主体具有与接触表面相对的粘结表面；粘结层，所述粘结层设置在所述粘结表面上，所述粘结层基本上由[111]晶体结构、[100]晶体结构或其组合形成；以及硬质复合材料，所述硬质复合材料使用钎焊材料粘结到与所述多晶材料主体相对的所述粘结层；
D.一种刀具，其包括：多晶材料主体，所述多晶材料主体具有与接触表面相对的粘结表面；耐火氮化物层，所述耐火氮化物层设置在所述多晶材料主体的所述粘结表面上，所述粘结层基本上由[111]晶体结构、[100]晶体结构或其组合形成；以及硬质复合材料，所述硬质复合材料使用钎焊材料粘结到与所述多晶材料主体相对的所述粘结层；以及
E.一种钻探组件，其包括：钻柱，所述钻柱可从钻探平台延伸并进入井筒中；泵，所述泵流体连接到所述钻柱并且被配置来使钻井液循环进入所述钻柱中并穿过所述井筒；以及钻头，所述钻头附接到所述钻柱的端部，所述钻头具有基体钻头主体和耦接到所述基体钻头主体的外部部分的多个根据实施方案C、D或两者所述的切削刀具。
实施方案A和B中的每一个可具有呈任何组合的以下另外的要素中的一个或多个：要素1：所述方法还包括在所述粘结表面处形成具有10微米至250微米厚度的所述粘结层；要素2：所述方法还包括在形成所述粘结层之前掩蔽所述多晶材料主体的所述粘结表面或所述耐火氮化物层；在形成所述粘结层之后并且在将所述粘结层钎焊到所述硬质复合材料之前移除掩模；要素3：其中所述硬质材料是金刚石，所述粘结层基本上由所述金刚石的所述[111]晶体结构形成，并且形成所述粘结层包括：在氧气和含碳气体存在下，在600℃至1100℃、总压力为30托或更高并且气体成分为200份至250份氢气、0.5份至3份氧气以及3份至8份含碳气体的条件下，用氢等离子体处理所述粘结表面或所述耐火氮化物层；要素4：其中所述硬质材料是金刚石，所述粘结层基本上由所述金刚石的所述[100]晶体结构形成，并且形成所述粘结层包括：在氧气和含碳气体存在下，在600℃至1100℃、总压力小于30托并且气体成分为200份至250份氢气、0.5份至3份氧气以及3份至8份含碳气体的条件下，用氢等离子体处理所述粘结表面或所述耐火氮化物层；要素5：其中所述硬质材料是立方氮化硼；以及要素6：其中所述硬质材料是碳化硅。
作为非限制性实例，示例性组合适用于A和B：要素1与要素2以及要素3-6中任选的一个的组合；要素1与要素3-6中的一个的组合；以及要素2与要素3-6中的一个的组合。
实施方案C、D和E中的每一个可具有呈任何组合的以下另外的要素中的一个或多个：要素7：其中在所述粘结表面处所述粘结层具有10微米至250微米的厚度；要素8：其中所述硬质材料是金刚石；要素9：其中所述硬质材料是立方氮化硼；以及要素10：其中所述硬质材料是碳化硅。
作为非限制性实例，示例性组合适用于A和B：要素7与要素8-10中的一个的组合。
本文呈现了本文所公开的并入本发明实施方案的一个或多个说明性实施方案。为了清楚起见，本申请中没有描述或示出实际实施方式的所有特征。应理解，在开发并入本发明实施方案的实际实施方案时，必须做出许多实施方式特定的决定以实现开发者的目标，诸如服从系统相关的、商务相关的、政府相关的和其他约束，所述约束根据实施方式改变并且时常改变。尽管开发者的努力可能是耗时的，然而此类努力将是本领域的并且受益于本公开的普通技术人员的常规任务。
虽然组合物和方法在本文中从“包含”各种组分或步骤方面来描述，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。
因此，本发明非常适于实现所提到的目标和优点以及本文固有的那些目标和优点。以上公开的具体实施方案仅是说明性的，因为本发明可以对受益于本文教义的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。此外，除了如以下权利要求书中所描述的之外，并不意图对本文示出的构造或设计的细节进行限制。因此，明显的是，以上公开的具体说明性实施方案可被改变、组合或修改，并且所有此类变化被视为在本发明的范围和精神内。本文说明性公开的本发明可在缺少本文未特定公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选的要素的情况下得以适当地实践。虽然组合物和方法从“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤方面来描述，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。以上公开的所有数字和范围可发生一定量的变化。每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在所述范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地，本文公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其平常、普通的意义。此外，如权利要求书中所使用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中定义为意指引入的一个或一个以上的要素。
Claims (14)
1.一种制造钻头刀具的方法，其包括：
通过化学气相沉积在包含硬质材料的多晶材料主体的粘结表面上形成粘结层，所述粘结表面与所述多晶材料主体的接触表面相对，并且所述通过化学气相沉积形成的粘结层基本上具有所述硬质材料的[111]晶体结构、所述硬质材料的[100]晶体结构或其组合；以及
使用钎焊材料将所述粘结层钎焊到硬质复合材料，以制造钻头刀具。
2.如权利要求1所述的方法，其还包括：
在所述粘结表面处形成具有10微米至250微米厚度的所述粘结层。
3.如权利要求1所述的方法，其还包括：
在形成所述粘结层之前掩蔽所述多晶材料主体的所述粘结表面；以及
在形成所述粘结层之后并且在将所述粘结层钎焊到所述硬质复合材料之前移除掩模。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述硬质材料是金刚石，所述粘结层基本上由所述金刚石的所述[111]晶体结构形成，并且形成所述粘结层包括：
在氧气和含碳气体存在下，在600℃至1100℃、总压力为30托或更高并且气体成分为200份至250份氢气、0.5份至3份氧气以及3份至8份含碳气体的条件下，用氢等离子体处理所述粘结表面。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述硬质材料是金刚石，所述粘结层基本上由所述金刚石的所述[100]晶体结构形成，并且形成所述粘结层包括：
在氧气和含碳气体存在下，在600℃至1100℃、总压力小于30托并且气体成分为200份至250份氢气、0.5份至3份氧气以及3份至8份含碳气体的条件下，用氢等离子体处理所述粘结表面。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述硬质材料是立方氮化硼。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述硬质材料是碳化硅。
8.一种制造钻头刀具的方法，其包括：
在包含硬质材料的多晶材料主体的粘结表面上沉积耐火氮化物层，所述粘结表面与所述多晶材料主体的接触表面相对；
通过化学气相沉积在所述耐火氮化物层上形成粘结层，所述通过化学气相沉积形成的粘结层基本上具有所述硬质材料的[111]晶体结构、所述硬质材料的[100]晶体结构或其组合；以及
使用钎焊材料将所述粘结层钎焊到硬质复合材料，以制造钻头刀具。
9.如权利要求8所述的方法，其还包括：
在所述粘结表面处形成具有10微米至250微米厚度的所述粘结层。
10.如权利要求8所述的方法，其还包括：
在形成所述粘结层之前掩蔽所述耐火氮化物层；以及
在形成所述粘结层之后并且在将所述粘结层钎焊到所述硬质复合材料之前移除掩模。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述硬质材料是金刚石，所述粘结层基本上由所述金刚石的所述[111]晶体结构形成，并且形成所述粘结层包括：
在氧气和含碳气体存在下，在600℃至1100℃、总压力为30托或更高并且气体成分为200份至250份氢气、0.5份至3份氧气以及3份至8份含碳气体的条件下，用氢等离子体处理所述耐火氮化物层。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述硬质材料是金刚石，所述粘结层基本上由所述金刚石的所述[100]晶体结构形成，并且形成所述粘结层包括：
在氧气和含碳气体存在下，在600℃至1100℃、总压力小于30托并且气体成分为200份至250份氢气、0.5份至3份氧气以及3份至8份含碳气体的条件下，用氢等离子体处理所述耐火氮化物层。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述硬质材料是立方氮化硼。
14.如权利要求8所述的方法，其中所述硬质材料是碳化硅。
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