CN111008495B - 镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可靠性技术领域，提出一种镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法。该镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法包括基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程；获取镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化；根据镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化、蠕变损伤方程以及蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程；获取工作中涡轮叶片的第二微结构演化；将第二微结构演化带入剩余寿命预测方程得到工作中涡轮叶片的蠕变剩余寿命。通过工作中涡轮叶片材料的微结构演化进行定量描述，带入基于晶体塑性理论的蠕变剩余寿命方程，即可得到叶片的剩余寿命，相较于现有技术，具有更好的准确性。

Description

镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法

技术领域

本发明涉及可靠性技术领域，尤其涉及镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法。

背景技术

镍基单晶高温合金在高温下具有优异的蠕变、疲劳以及抗氧化等力学性能，被广泛应用于航空发动机涡轮叶片的制造。其在服役环境中主要承受轴向的离心荷载作用，由离心力导致的蠕变失效是造成结构破坏的主要原因。为了充分发挥单晶材料的潜力并确保在设计寿命内的可靠性，需要针对服役的单晶叶片建立准确的剩余寿命预测模型。

现有技术中，镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法对叶片剩余寿命的预测不准确，是从而增加了航空发动的涡轮叶片的使用风险，降低航空发动机使用的可靠性。

因此，有必要设计一种新的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术对镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法对叶片剩余寿命的预测不准确的不足，提供一种对镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法对叶片剩余寿命的预测较为准确的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法。

本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。

根据本发明的一个方面，一种镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，包括：

基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程；

获取镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化；

根据镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化、所述蠕变损伤方程以及所述蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程；

获取工作中涡轮叶片的第二微结构演化；

将所述第二微结构演化带入所述剩余寿命预测方程得到所述工作中涡轮叶片的蠕变剩余寿命。

在本公开的一种示例性实施例中，基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程，包括：

基于晶体塑性理论通过镍基单晶材料蠕变中断试验建立第一微结构演化与镍基单晶材料损伤的对应关系；

根据所述对应关系建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程。

在本公开的一种示例性实施例中，基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程，包括：

基于晶体塑性理论通过镍基单晶材料蠕变中断试验建立蠕变应变与实践的相对关系；

根据所述相对关系建立镍基单晶材料的蠕变本构方程。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一微结构演化包括筏化宽度、微孔洞体积分数与TCP相体积分数。

在本公开的一种示例性实施例中，根据镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化、所述蠕变损伤方程以及所述蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程包括：

根据所述第一微结构演化得到镍基单晶材料的临界分切应力与材料初始损伤。

根据所述临界分切应力、材料初始损伤所述蠕变损伤方程以及所述蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程。

在本公开的一种示例性实施例中，所述镍基单晶材料的剩余寿命与所述临界分切应力正相关，所述镍基单晶材料的剩余寿命与所述材料初始损伤负相关。

在本公开的一种示例性实施例中，获取工作中涡轮叶片的第二微结构演化，包括：

抽样获取工作中涡轮叶片的试样；

对所述试样进行抛光与腐蚀处理得到处理后试样；

采集所述处理后试样的所述第二微结构演化。

在本公开的一种示例性实施例中，采集所述处理后试样的第二微结构演化，包括：

采用扫描电子显微镜对处理后试样进行观测采集所述第二微结构演化。

在本公开的一种示例性实施例中，对所述试样进行抛光与腐蚀处理得到处理后试样，包括：

采用腐蚀液对所述试样进行腐蚀，所述腐蚀液包括氟化氢、硝酸、丙三醇和水。

在本公开的一种示例性实施例中，将所述第二微结构演化带入所述剩余寿命预测方程得到所述工作中涡轮叶片的蠕变剩余寿命，包括：

采用所述第二微结构演化将所述剩余寿命预测方程中的第一微结构演化替换得到所述工作中涡轮叶片的蠕变剩余寿命。

由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：

本发明镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程；根据镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化、蠕变损伤方程以及蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程；将第二微结构演化带入剩余寿命预测方程得到工作中涡轮叶片的蠕变剩余寿命。一方面，通过工作中涡轮叶片材料的微结构演化进行定量描述，带入基于晶体塑性理论的蠕变剩余寿命方程，即可得到叶片的剩余寿命，从而为航空发动机的翻修与叶片更换提供技术参考。另一方面，直接对工作中涡轮叶片进行检测，考虑到考虑航空发动机服役过程中的巡航、加速等不同的工作环境对涡轮叶片造成损伤的不同，相较于现有技术，具有更好的准确性。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本发明镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法的简易流程图；

图2是本发明镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法的具体流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

镍基合金优异的高温力学性能主要来源于其γ(基体相)和γ'(强化相)两相微观结构及其成分设计，其中初始的微观结构是由高体积分数面心立方结构的立方体状γ'沉淀相均匀的共格于γ基体相中形成的。γ′相在高温和应力作用下沿固定方向生长，形成有规则的板状或柱状筏化结构。这种筏化结构在应力和温度的持续作用下，稳定一段时间后发生破坏，规则的筏排结构出现粗化和断裂，称之为解筏，宏观上表现为材料损伤。单晶材料的上述微结构演化伴随叶片服役的全过程，随着材料微结构的演化，叶片的材质不断劣化，宏观力学性能衰退，材料的剩余寿命不断衰减。

相关技术中，航空发动机涡轮叶片寿命评估主要基于发动机叶片的服役时间，将叶片设计使用寿命减去服役时间得到材料的剩余寿命，从而确定航空发动机涡轮单晶叶片的替换时间间隔。该方法无法准确考虑航空发动机服役过程中的巡航、加速等不同的工作环境对材料造成损伤的不同，近似的认为单晶材料的材质劣化损伤与服役时间成正比，这显然与单晶材料高温服役下的力学特征以及损伤演化规律相悖。

相关技术中，航空发动机涡轮叶片寿命评估方法对于材质劣化的预估非常不精确，从而增加了航空发动的涡轮单晶叶片的使用风险，降低航空发动机使用的可靠性；同时也可能造成材料的浪费，增加发动机维修成本。

航空发动机是飞机的心脏，而单晶涡轮叶片的服役状态决定了发动机的可靠与安全。为了建立航空发动机的健康管理体系，同时定量的实时监控单晶叶片的寿命消耗，非常有必要建立一种基于微结构演化的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，从而对航空发动机的翻修与叶片的更换提供技术指导。

本发明提供一种镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，参照图1所示，该镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法可以包括以下步骤：

步骤S110，基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程；

步骤S120，获取镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化；

步骤S130，根据镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化、蠕变损伤方程以及蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程；

步骤S140，获取工作中涡轮叶片的第二微结构演化；

步骤S150，将第二微结构演化带入剩余寿命预测方程得到工作中涡轮叶片的蠕变剩余寿命。

通过工作中涡轮叶片材料的微结构演化进行定量描述，带入基于晶体塑性理论的蠕变剩余寿命方程，即可得到叶片的剩余寿命，从而为航空发动机的翻修与叶片更换提供技术参考。直接对工作中涡轮叶片进行检测，考虑到考虑航空发动机服役过程中的巡航、加速等不同的工作环境对涡轮叶片造成损伤的不同，相较于现有技术，具有更好的准确性。

下面对上述步骤进行详细的说明。

在步骤S110中，基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程；

参照图2所示，基于晶体塑性理论，首先得到蠕变应变与滑移系α的分切应力的相对关系，然后对时间求导得到单晶材料不同滑移系α的蠕变剪应变率

可表达为：

其中，式中A、n为与温度相关的蠕变参数，由蠕变第二阶段曲线斜率所决定。τ^(α)为滑移系α的分切应力，可表示为

τ^α＝σ:P^(α)

其中，式中σ为晶轴系下的应力张量。P^(α)为取向因子，可表示为

m^(α)表示开动滑移系的滑移方向，n^(α)表示该滑移系中滑移面的单位法向量。将宏观应变率

分解为弹性部分

和非弹性部分(蠕变应变率)

弹性应变率

遵循胡克定律，可由弹性力学的知识得到，

由滑移系的分切应变率乘以取向因子得出，即：

将蠕变应变分解：

式(3-6)中右边三项分别对应的是八面体滑移系、十二面体滑移系和六面体滑移系的蠕变应变，若其中某滑移系不开动，则对应的项取零。一般在单晶叶片服役中，受力方向为[001]取向，这里认为开动滑移系为八面体滑移系。

假设宏观应变率中的弹性部分

与非弹性部分

不会相互影响，则蠕变变形带来的应力变化率

可以表达为：

式中C^e为各向异性弹性张量，可用矩阵形式表达：

对于镍基单晶材料，C₁₁,C₁₂和C₄₄为三个独立的弹性常数，与弹性模量E、泊松比μ及剪切模量G相关。由于单晶材料为各向异性材料，弹性张量仅适用于[001]晶轴系，当有限元模型分析所用的坐标系不同于[001]晶轴系时，C^e矩阵要进行坐标转换，可用矩阵运算得到：

C^XYZ＝TCT^T

其中

公式中l,m,n是模型坐标轴O-X-Y-Z轴在晶体轴o-x-y-z中的方向余弦。晶体轴即为[001]，[010]和[100]三个方向。

单晶材料在某一温度下是发生长时蠕变断裂还是短时拉伸破坏取决于载荷应力与屈服应力的关系，当超过屈服应力时，单晶的强化相被剪切，材料瞬时被拉断。屈服应力在各滑移面上的分应力，称为临界分切应力τ_c。

当τ^(α)＜τ_c时，材料处于蠕变变形状态，在连续损伤模型以及损伤演化率的基础上，本文基于晶体塑性理论中的晶体滑移面上的参数，可以将材料的损伤与第一微结构演化联系在一起，确认第一微结构演化与损伤的关系，建立分切应力与剪切应变率同时主导的蠕变损伤方程和蠕变本构方程。蠕变本构方程为：

蠕变损伤方程的建立可以首先确定确认第一微结构演化与损伤的关系损伤，然后对时间求导得到蠕变损伤方程，蠕变损伤方程为：

其中，χ和φ为与温度相关的参数，β为常数，这里取为2.5。ω为材料的损伤，ω＝0代表原始材料没有损伤，ω＝1代表材料断裂时的损伤值。

为稳态蠕变率，一般取10。

和

分别为初始蠕变率和初始损伤率，其中

是温度和应力的函数，采用葛庭燧－Dorn(K-D)公式与Arrhenius(阿伦尼斯)表达式相结合的形式：

其中，式中A与n与(3-1)式中的物理意义相同，T为绝对温度，R为气体常数。Q为激活能，对于八面体滑移系：

Q_oct＝6.97×10^-19J/atom

六面体滑移系为：

Q_cube＝7.30×10^-19J/atom

当τ^(α)≥τ_c时，外部荷载大于材料屈服强度，结构将发生瞬时拉伸破坏，此时位错扩展方式将由滑移攀移机制变为直接切割强化相，材料在极短时间内被拉断，蠕变本构方程与蠕变损伤方程将不再适用。

在步骤S120中，获取镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化；

镍基单晶高温合金在服役一段时间后，内部将发生微结构的演化与微孔洞的生长，这是造成单晶合金蠕变性能下降的主要原因。其中第一微结构演化包括基体相通道粗化/筏化宽度、微孔洞体积分数与TCP相体积分数。结合蠕变本构方程与蠕变损伤方程，上述材质劣化与孔洞萌生会对材料初始的损伤ω以及临界分切应力τ_c产生对应的影响。

叶片结构在经历高温蠕变或疲劳-蠕变交互作用后，材料微结构的筏化将导致力学性能的退化，主要体现在降低了单晶材料初始的两相结构对滑移产生的Orowan阻力(筏化中基体通道的粗化使得τ_or降低)。基于Orowan机制，τ_or的降低将导致材料临界分切应力τ_c(对应着屈服强度σ_0.2)的降低，将镍基单晶高温合金弹塑性本构模型以粘塑性表达式加以表达，

其中，τ_or表示应力

其中r为材料常数，取值大约为0.016，G为材料的减轻模量，b的取值为0.25×10^-9，k为基体通道宽度。

其中，g^(α)表示滑移阻力，控制材料的应变硬化，其演化规律为：

其中，公式中，h_αβ为滑移硬化模量，其中h_αβ(α≠β)为潜硬化模量，h_αα(不求和)为自硬化模量。本文采用未考虑Bauschinger(包辛格)效应的自硬化模量表达式：

其中，h₀为初始硬化模量；τ₀为初始屈服应力，其值大小与滑移阻力g^(α)的初始值相等；τ_s为饱和分切应力；γ为Taylor累计剪切应变。通过上述方法，能够得到筏化中基体通道的粗化使得τ_or降低。

在步骤S130中，根据镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化、蠕变损伤方程以及蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程；

参照图2所示，当单晶合金在高温与拉应力的工作环境中服役后，合金内部会出现孔洞萌生以及元素迁移带来的第三相(TCP相为主)，同时，材料的筏化也改变了单晶中γ和γ’相的初始形貌。由蠕变本构方程与蠕变损伤方程可知，单晶蠕变的损伤是由分切应力与剪切应变率同时主导的，而孔洞与TCP相夹杂以及基体通道粗化都将使得单晶材料在剩余的蠕变过程中出现局部的应力集中以及剪切应变率的增加，缩短材料的剩余蠕变寿命。

在本示例实施方式中，将上述第一微结构演化的影响归结为材料在投入下一阶段工作前具有了初始损伤ω₀，此时损伤公式演化为

对于原始材料，ω₀＝0，对于服役过一段时间的材料，令ω₀＝ω₁+ω₂+ω₃，等号右边分别对应前一阶段蠕变过程中生成的孔洞与TCP相夹杂以及基体通道粗化带来的初始损伤。

以上述公式对时间积分即可得到寿命预测方程或者采用有线元软件将上述公式带入拟合得到寿命预测方程。

根据材料断裂时总损伤值为1，则当孔洞体积分数为

时，其带来的损伤ω₁可定义为：

式中，

为原始材料的孔洞率，

为断裂时的孔洞率，η₁表示权重，在应力大于等于零小于等于300Pa时，η₁的取值范围为大于等于0小于等与0.2，当应力大于300Pa时，η₁的取值为0.2。

当TCP相体积分数为

时，其带来的损伤ω₂可定义为：

式中

为断裂时的TCP相体积分数，

随单晶合金中Re元素含量的增加而增加。η₂表示权重，在应力大于等于零小于等于300Pa时，η₂的取值范围为大于等于0小于等与0.05，当应力大于300Pa时，η₂的取值为0.05。

损伤随基体通道粗化的演化方程可表达为：

ω₃＝η₃(0.00563+0.00772exp((κ-0.05346)/0.04845))

通过上述方程，能够得到蠕变过程中微结构的演化带来的单晶材料剩余寿命的改变，k表示基体通道宽度，η₃表示权重，η₃＝1-η₁-η₂。

通过工作中涡轮叶片材料的微结构演化进行定量描述，带入基于晶体塑性理论的蠕变剩余寿命方程，即可得到叶片的剩余寿命，从而为航空发动机的翻修与叶片更换提供技术参考。

在步骤S140中，获取工作中涡轮叶片的第二微结构演化。

在步骤S150中，将第二微结构演化带入剩余寿命预测方程得到工作中涡轮叶片的蠕变剩余寿命。

对航空发动机涡轮叶片进行取样，该取样的方式可以是随机抽样，并在叶片上切取立方体试块进行观测。将试块进行抛光与腐蚀(腐蚀液为1％HF，33％HNO3，33％C₃H₈O₃以及33％H₂O)。将腐蚀后的试块置于扫描电子显微镜(SEM)下进行观测，采集服役后涡轮叶片材料的第二微结构演化数据，包括基体相通道粗化，即筏化宽度、微孔洞体积分数与TCP相体积分数。上述获得的数据代入损伤方程，从而得到单晶材料的剩余寿命。

通过对抽样叶片的不同部位的微观结构进行观测，得到叶片实时的服役状态。操作性强，便于实施，由于仅仅是抽样检测，能够铺节约大量的时间与成本。

上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

本说明书中，用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (8)

1.一种镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，其特征在于，包括：

基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程；

获取镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化；包括:

将镍基单晶高温合金弹塑性本构模型以粘塑性表达式加以表达，

其中，τ_or表示应力

其中λ为材料常数，取值为0.016，G为材料的减轻模量，b的取值为0.25×10^-9，k为基体通道宽度；

为初始蠕变率；n为与温度相关的蠕变参数；τ^(α)为滑移系α的分切应力；

其中，g^(α)表示滑移阻力，控制材料的应变硬化，其演化规律为：

其中，公式中，h_αβ为滑移硬化模量，其中h_αβ(α≠β)为潜硬化模量，h_αα为自硬化模量；自硬化模量表达式：

其中，h₀为初始硬化模量；τ₀为初始屈服应力，其值大小与滑移阻力g^(α)的初始值相等；τ_s为饱和分切应力；γ为Taylor累计剪切应变；α为滑移系；β为常数；

根据镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化、所述蠕变损伤方程以及所述蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程；

抽样获取工作中涡轮叶片的试样；对所述试样进行抛光与腐蚀处理得到处理后试样；采集所述处理后试样的第二微结构演化；所述第二微结构演化包括筏化宽度、微孔洞体积分数与TCP相体积分数；

采用所述第二微结构演化将所述剩余寿命预测方程中的第一微结构演化替换得到所述工作中涡轮叶片的蠕变剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，其特征在于，基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程，包括：

基于晶体塑性理论通过镍基单晶材料蠕变中断试验建立第一微结构演化与镍基单晶材料损伤的对应关系；

根据所述对应关系建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程。

3.根据权利要求1所述的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，其特征在于，基于晶体塑性理论建立镍基单晶材料的蠕变损伤方程和蠕变本构方程，包括：

基于晶体塑性理论通过镍基单晶材料蠕变中断试验建立蠕变应变与实践的相对关系；

根据所述相对关系建立镍基单晶材料的蠕变本构方程。

4.根据权利要求1所述的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，其特征在于，所述第一微结构演化包括筏化宽度、微孔洞体积分数与TCP相体积分数。

5.根据权利要求1所述的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，其特征在于，根据镍基单晶材料在蠕变过程中的第一微结构演化、所述蠕变损伤方程以及所述蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程包括：

根据所述第一微结构演化得到镍基单晶材料的临界分切应力与材料初始损伤；

根据所述临界分切应力、材料初始损伤所述蠕变损伤方程以及所述蠕变本构方程建立镍基单晶材料的剩余寿命预测方程。

6.根据权利要求5所述的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，其特征在于，所述镍基单晶材料的剩余寿命与所述临界分切应力正相关，所述镍基单晶材料的剩余寿命与所述材料初始损伤负相关。

7.根据权利要求1所述的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，其特征在于，采集所述处理后试样的第二微结构演化，包括：

采用扫描电子显微镜对处理后试样进行观测采集所述第二微结构演化。

8.根据权利要求1所述的镍基单晶涡轮叶片蠕变剩余寿命预测方法，其特征在于，对所述试样进行抛光与腐蚀处理得到处理后试样，包括：

采用腐蚀液对所述试样进行腐蚀，所述腐蚀液包括氟化氢、硝酸、丙三醇和水。

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