CN111118435A - 铝合金和提高其抗微动磨损的方法 - Google Patents

铝合金和提高其抗微动磨损的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料表面处理技术领域，具体而言，涉及铝合金和提高其抗微动磨损的方法。提高铝合金抗微动磨损的方法包括：利用热喷涂将铝青铜粉末喷涂在铝合金基体表面形成铝青铜涂层，热喷涂的燃烧参数为：液体燃料流量为18‑22升/分钟，不可燃气体流量为850‑950升/分钟，燃烧压力为7.5‑9.0bar；热喷涂采用的喷嘴为长度为90‑120毫米，口径为9‑11毫米的拉瓦尔喷嘴。该方法能够有效在铝合金表面形成铝青铜涂层，继而能够提升铝合金的抗微动磨损性能。

Description

铝合金和提高其抗微动磨损的方法
技术领域
本发明涉及材料表面处理技术领域，具体而言，涉及铝合金和提高其抗微动磨损的方法。
背景技术
随着飞机向大型、高速、高载重方向发展，需要减轻重量、降低能耗。其中，铝合金具有很高的比强度，仅次于钛合金，在承受相同应力条件下，铝合金铸件可以减轻重量，因此它特别适用于航空航天器及运输机械，且多用于制造结构零件和形状复杂的壳体类零件，如机匣、主轴承盖和花键联轴器等。然而，在振动环境下，“近似紧固”的机械配合件的接触表面容易发生微动磨损，如航空发动机机匣内壁与轴承套的连接部位，机体和主轴承盖的接触面等，使连接间隙增大、降低疲劳极限、导致零件失效。因此有效改善铸造铝合金的抗微动性能对保证这些部件乃至航空发动机的安全可靠运行至关重要。
在基体表面设置涂层是解决上述问题比较快的方法，但是现有技术中在铝合金上设置涂层极其困难，特别是利用纯的铝青铜在铝合金上形成涂层更是困难，大多数是在钢、铜及钛合金基材上制备铝青铜涂层，例如，中国专利文献CN104962776B和CN105803380B都公开了在铜合金基体表面制备铝青铜涂层的方法。即使可以在上述基体上利用铝青铜形成涂层，但是由于铝青铜粉末流动性较差，在制备铝青铜涂层的过程中，如果粉末熔化过度会发生熔化的粉末粘附在喷嘴内壁导致喷嘴堵塞而不得不停止喷涂的情况，需要更换喷嘴再进行喷涂，不但降低涂层制备效率，甚至影响涂层质量；如果粉末熔化不够充分，则获得的涂层质量不佳，影响涂层性能及涂层对基体的防护。因此，既保证粉末熔化充分获得高质量的涂层，又防止粉末过分熔化而粘接在喷嘴内壁对高效获得喷涂高质量铝青铜至关重要。但是上述报道都没有提及解决该问题的方法。此外，铝合金刚性差、且其与铝青铜热膨胀系数相差较大，在其表面制备具有良好抗中低温微动磨损性能寿命(摩擦周期或循环)的铝青铜涂层难度更大，目前尚未见成熟工艺。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供铝合金和提高其抗微动磨损的方法。本发明通过该方法能够有效在铝合金表面形成铝青铜涂层，继而能够提升铝合金的抗微动磨损性能。
本发明是这样实现的：
第一方面，实施例提供一种提高铝合金抗微动磨损的方法，包括利用热喷涂将铝青铜粉末喷涂在铝合金基体表面形成铝青铜涂层；
热喷涂的燃烧参数为：液体燃料流量为18-22升/分钟，不可燃气体流量为850-950升/分钟，燃烧压力为7.5-9.0bar；
热喷涂采用的喷嘴为长度为90-120毫米，口径为9-11毫米的拉瓦尔喷嘴。
在可选的实施方式中，所述热喷涂为超音速喷涂；
优选地，所述液体燃料为石油加工后形成的燃料；优选为煤油；
优选地，所述不可燃气体为氧气。
在可选的实施方式中，在喷涂过程中控制所述铝合金基体和所述铝青铜涂层的温度；
优选地，喷涂过程中，所述铝合金基体的温度介于60-150℃之间；
优选地，喷涂过程中，所述铝青铜涂层的温度不超过180℃；
优选地，喷涂过程中，所述铝青铜涂层的温度超过180℃时，停止喷涂，将所述铝青铜涂层的温度降至100℃以下后，继续喷涂。
在可选的实施方式中，以重量百分比计，所述铝青铜粉末包括铝5.0-15.0％，铁0.5-5.0％，其余量为铜；
优选地，所述铝青铜粉末的粒径为15-45微米。
在可选的实施方式中，喷涂过程中，送粉速率为60-90克/分钟，喷涂距离为250-350毫米。
在可选的实施方式中，在进行喷涂前，对所述铝合金基体进行预热处理，使得所述铝合金基体的温度介于60-150℃之间。
在可选的实施方式中，在进行喷涂前，所述铝合金基体的粗糙度Ra大于3μm；
优选地，所述铝合金基体的粗糙度Ra3.5-4.6μm；
在进行喷涂前，对所述铝合金基体进行吹砂处理，使得所述铝合金基体的粗糙度Ra大于3μm；
优选地，吹砂处理的条件为：吹砂压力0.2-0.4MPa，吹砂距离100-150毫米，吹砂角度35°-60°，吹砂材料为24～120#白刚玉、棕刚玉和锆刚玉中的任意一种。
第二方面，实施例提供一种铝合金，其通过前述实施方式任一项所述的提高铝合金抗微动磨损的方法制备得到。
在可选的实施方式中，所述铝青铜涂层的厚度为50-500微米。
在可选的实施方式中，所述铝青铜涂层的孔隙率≤2％，截面硬度≥250HV0.3，结合强度≥35MPa，100℃-300℃微动抗磨寿命：往复微动摩擦循环数≥15000次。
本发明具有以下有益效果：本发明通过采用铝青铜粉末，并控制热喷涂的燃烧参数及采用特定的喷嘴，能够使得铝青铜粉末充分熔化，成功制备铝青铜涂层，且保证铝青铜涂层的质量和性能，继而提升其对铝合金基体的防护和提升铝合金的抗微动磨损性能。同时，又能够防止熔融后的铝青铜粘结喷嘴，保证喷涂的连续性，提升涂层的制备效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的铝青铜涂层的扫描电镜图；
图2为本发明对比例2提供的铝青铜涂层的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明实施例提供一种提高铝合金抗微动磨损的方法，包括以下步骤：
首先，对铝合金基体进行预处理；包括但不限于清除铝合金基体表面的残渣，例如利用除尘装置，将铝合金基体表面的灰尘去除；或者利用有机溶剂将铝合金基体表面的油渍等去除，且利用有机溶剂去除油渍时还可以进行超声，便于提升清除效果，继而有利于提升涂层和铝合金基体之间的作用力。
而后对铝合金基体进行吹砂打磨，继而控制铝合金基体表面粗糙度，更有利于铝青铜涂层与铝合金表面结合，提升铝青铜涂层的性能。
具体地，吹砂后铝合金基体的粗糙度Ra大于3μm，优选为3.5-4.6μm，采用上述粗糙度更有利于铝青铜涂层与铝合金表面结合，提升铝青铜涂层的性能。
进一步具体地，吹砂处理的条件为：吹砂压力0.2-0.4MPa，吹砂距离100-150毫米，吹砂角度35°-60°，吹砂材料为24～120#白刚玉、棕刚玉和锆刚玉中的任意一种。
吹砂后对铝合金基体进行预热处理，使得所述铝合金基体的温度介于60-150℃之间，对铝合金基体进行预热处理，避免高温的熔融铝青铜作用于温度较低的铝合金基体，继而导致铝合金基体变形，降低了铝青铜涂层对铝合金基体的防护效果。
而后利用热喷涂将铝青铜粉末喷涂在铝合金基体表面形成铝青铜涂层，热喷涂为超音速喷涂，其中，超音速喷涂的燃烧参数为：液体燃料流量为18-22升/分钟，不可燃气体流量为850-950升/分钟，燃烧压力为7.5-9.0bar，液体燃料为石油加工后形成的燃料；优选为煤油；所述不可燃气体为氧气，并且超音速喷涂采用的喷嘴为长度为90-120毫米，口径为9-11毫米的拉瓦尔喷嘴。首先，铝青铜具有优良的机械性能，其制备的铝青铜涂层具有良好的减摩性和限制疲劳裂纹的性能，能够提高铝合金的抗微动磨损性能。同时，采用上述燃烧条件和喷嘴既能够保证铝青铜粉末充分加热熔融，能够在铝合金基体上形成铝青铜涂层，并保证涂层的性能，又能防止熔融后的铝青铜粘结喷嘴，保证了生产的效率。
进一步地，以重量百分比计，所述铝青铜粉末包括铝5.0-15.0％，铁0.5-5.0％，其余量为铜；优选地，所述铝青铜粉末的粒径为15-45微米。采用上述条件的铝青铜粉末，更有利于铝青铜涂层对铝合金基体进行防护。
进一步地，在喷涂过程中控制所述铝合金基体和所述铝青铜涂层的温度；其中，喷涂过程中，所述铝合金基体的温度介于60-150℃之间；铝青铜涂层的温度不超过180℃；若喷涂过程中，所述铝青铜涂层的温度超过180℃时，停止喷涂，将所述铝青铜涂层的温度降至100℃以下后，继续喷涂。控制基体和铝青铜涂层的温度，避免涂层温度过高，继而导致铝合金基体变形，保证了喷涂的连续性和形成的铝青铜涂层的质量。
同时，喷涂过程中，送粉速率为60-90克/分钟，喷涂距离为250-350毫米。
本实施例还提供一种铝合金，其通过上述提高铝合金抗微动磨损的方法制备得到，其中，制备得到的铝青铜涂层的厚度为50-500微米，并且得到的铝青铜涂层的孔隙率≤2％，截面硬度≥250HV0.3，结合强度≥35MPa，100℃-300℃微动抗磨寿命：往复微动摩擦循环数≥15000次。
实施例1
本实施例提供一种提高铝合金抗微动磨损的方法，其中，选择ZL114A铝合金作为基体材料，具体地包括以下步骤：
步骤1：对ZL114A表面进行除尘、除油处理。
步骤2：用24#锆刚玉对待喷涂区域进行打砂，打砂压力0.35MPa，打砂距离130毫米，打砂角度40°，打砂完成后用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘，打磨后的粗糙度为3.7μm。
步骤3：将经打砂的ZL114A基体固定到工装上。安装、调整并固定冷却气管位置，使冷却气能吹到基体背面也就是非喷涂面，便于对铝合金基体进行冷却，控制铝合金基体的温度。
步骤4：将待喷涂区域预热至80℃，然后进行超音速火焰喷涂粒径为15-45微米的铝青铜粉末形成铝青铜涂层，具体参数为：煤油20升/分钟，氧气900升/分钟，压力7.8bar，喷嘴长度100毫米，口径11毫米，喷嘴为拉瓦尔喷嘴，送粉量80克/分钟，喷距300毫米，最后铝青铜涂层的厚度为280微米。喷涂过程中采用红外测温仪监测涂层和基体的温度，控制铝青铜涂层的温度不超过180℃，且铝合金基体的温度控制在80-130℃之间，铝青铜包括：铝10.49％，铁1.21％，其余量为铜。
实施例2
本实施例提供一种提高铝合金抗微动磨损的方法，其中，选择ZL201铝合金作为基体材料，具体地包括以下步骤：
步骤1：对ZL201表面进行除尘、除油处理。
步骤2：用24#锆刚玉对待喷涂区域进行打砂，打砂压力0.20MPa，打砂距离100毫米，打砂角度35°，打砂完成后用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘，打磨后的粗糙度为4.1μm。
步骤3：将经打砂的ZL201基体固定到工装上。安装、调整并固定冷却气管位置，使冷却气能吹到基体背面(非喷涂面)。
步骤4：对待喷涂区域预热至85℃，然后进行超音速火焰喷涂粒径为15-45微米的铝青铜粉末形成铝青铜涂层，具体参数为：煤油18升/分钟，氧气880升/分钟，压力7.6bar，喷嘴长度90毫米，口径11毫米，喷嘴为拉瓦尔喷嘴，送粉量60克/分钟，喷距250毫米，最后铝青铜涂层的厚度330微米。喷涂过程中采用红外测温仪监测涂层和基体的温度，控制铝青铜涂层的温度不超过180℃，且铝合金基体的温度控制在85-140℃之间，且铝青铜包括：铝9.82％，铁1.06％，其余量为铜。
实施例3
本实施例提供一种提高铝合金抗微动磨损的方法，其中，选择ZL301铝合金作为基体材料，具体地包括以下步骤：
步骤1：对ZL301表面进行除尘、除油处理。
步骤2：用24#锆刚玉对待喷涂区域进行打砂，打砂压力0.40MPa，打砂距离150毫米，打砂角度60°，打砂完成后用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘，打磨后的粗糙度为3.5μm。
步骤3：将经打砂的ZL301基体固定到工装上。安装、调整并固定冷却气管位置，使冷却气能吹到基体背面(非喷涂面)。
步骤4：对待喷涂区域预热至60℃，然后进行超音速火焰喷涂粒径为15-45微米的铝青铜粉末形成铝青铜涂层，具体参数为：煤油22升/分钟,氧气950升/分钟，压力9.0bar，喷嘴长度90毫米，口径10毫米，喷嘴为拉瓦尔喷嘴，送粉量90克/分钟，喷距350毫米，最后铝青铜涂层的厚度430微米。喷涂过程中采用红外测温仪监测涂层和基体的温度，控制铝青铜涂层的温度不超过180℃，且铝合金基体的温度控制在60-150℃之间，且铝青铜包括：铝12.03％，铁1.48％，其余量为铜。
实施例4
本实施例提供一种提高铝合金抗微动磨损的方法，其中，选择ZL301铝合金作为基体材料，具体地包括以下步骤：
步骤1：对ZL301表面进行除尘、除油处理。
步骤2：用24#锆刚玉对待喷涂区域进行打砂，打砂压力0.40MPa，打砂距离150毫米，打砂角度60°，打砂完成后用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘，打磨后的粗糙度为4.30μm。
步骤3：将经打砂的ZL301基体固定到工装上。安装、调整并固定冷却气管位置，使冷却气能吹到基体背面(非喷涂面)。
步骤4：对待喷涂区域预热至60℃，然后进行超音速火焰喷涂粒径为15-45微米的铝青铜粉末形成铝青铜涂层，具体参数为：煤油22升/分钟,氧气930升/分钟，压力8.8bar，喷嘴长度90毫米，口径10毫米，喷嘴为拉瓦尔喷嘴，送粉量90克/分钟，喷距350毫米，最后铝青铜涂层的厚度240微米。喷涂过程中采用红外测温仪监测涂层和基体的温度，控制铝青铜涂层的温度不超过180℃，且铝合金基体的温度控制在60-150℃之间，且铝青铜包括：铝8.60％，铁1.07％，其余量为铜。
实施例5
本实施例提供一种提高铝合金抗微动磨损的方法，其中，选择ZL114A铝合金作为基体材料，具体地包括以下步骤：
步骤1：对ZL114A表面进行除尘、除油处理。
步骤2：用24#锆刚玉对待喷涂区域进行打砂，打砂压力0.35MPa，打砂距离120毫米，打砂角度45°，打砂完成后用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘，打磨后的粗糙度为3.30μm。
步骤3：将经打砂的ZL114A基体固定到工装上。安装、调整并固定冷却气管位置，使冷却气能吹到基体背面(非喷涂面)。
步骤4：对待喷涂区域预热至80℃，然后进行超音速火焰喷涂粒径为15-45微米的铝青铜粉末形成铝青铜涂层，具体参数为：煤油850升/分钟,氧气20升/分钟，压力7.8bar，喷嘴长度120毫米，口径9毫米，喷嘴为拉瓦尔喷嘴，送粉量90克/分钟，喷距320毫米，最后铝青铜涂层的厚度180微米。喷涂过程中采用红外测温仪监测涂层和基体的温度，控制铝青铜涂层的温度不超过180℃，且铝合金基体的温度控制在60-150℃之间，且铝青铜包括：铝10.30％，铁1.10％，其余量为铜。
对比例1：
选择ZL114A铝合金作为基体材料，具体地包括以下步骤：
步骤1：对ZL114A表面进行除尘、除油处理。
步骤2：用24#锆刚玉对待喷涂区域进行打砂，打砂压力0.35MPa，打砂距离130毫米，打砂角度40°，打砂完成后用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘，打磨后的粗糙度为3.7μm。
步骤3：将经打砂的ZL114A基体固定到工装上。安装、调整并固定冷却气管位置，使冷却气能吹到基体背面也就是非喷涂面，便于对铝合金基体进行冷却，控制铝合金基体的温度。
步骤4：将待喷涂区域预热至80℃，然后进行超音速火焰喷涂粒径为15-45微米的铝青铜粉末形成铝青铜涂层，具体参数为：煤油20升/分钟，氧气900升/分钟，压力7.8bar，喷嘴长度100毫米，口径11毫米，喷嘴为直喷嘴，送粉量80克/分钟，喷距300毫米。喷涂过程中采用红外测温仪监测涂层和基体温度，控制铝青铜涂层的温度不超过180℃，且铝合金基体的温度控制在80-130℃之间，铝青铜包括：铜10.49％，铁1.21％，余量为铜。
喷涂未能顺利进行，期间设备停止喷涂。经检查发现，发生了粉末堵住喷嘴的情况。之后，更换新的喷嘴继续进行喷涂，不久设备又停止喷涂，经检查还是因为发生了粉末堵塞喷嘴而导致的。
对比例2：
选择ZL114A铝合金作为基体材料，具体地包括以下步骤：
步骤1：对ZL114A表面进行除尘、除油处理。
步骤2：用24#锆刚玉对待喷涂区域进行打砂，打砂压力0.35MPa，打砂距离130毫米，打砂角度40°，打砂完成后用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘，打磨后的粗糙度为3.7μm。
步骤3：将经打砂的ZL114A基体固定到工装上。安装、调整并固定冷却气管位置，使冷却气能吹到基体背面也就是非喷涂面，便于对铝合金基体进行冷却，控制铝合金基体的温度。
步骤4：将待喷涂区域预热至80℃，然后进行超音速火焰喷涂粒径为15-45微米的铝青铜粉末形成铝青铜涂层，具体参数为：煤油16升/分钟，氧气900升/分钟，压力7.8bar，喷嘴长度100毫米，口径11毫米，喷嘴为拉瓦尔喷嘴，送粉量80克/分钟，喷距300毫米，最后铝青铜涂层的厚度为312微米。喷涂过程中采用红外测温仪监测涂层和基体温度，控制铝青铜涂层的温度不超过180℃，且铝合金基体的温度控制在80-130℃之间，铝青铜包括：铜10.49％，铁1.21％，余量为铜。
实验例
对实施例1-1和对比例2的铝青铜涂层进行检测，结果参见图1-图2以及表1-表2。其中，图1为实施例1提供的铝青铜涂层的电镜扫描图，图2为对比例2的电镜扫描图。涂层截面硬度、结合强度以及孔隙率的检测方法参见GB/T 4340.1-1999、GB/T 8642-2002和GB/T6462-2005。
表1检测结果
Figure BDA0002393996540000111
表2抗微动磨损性能检测结果
Figure BDA0002393996540000112
根据图1和图2可知，利用本发明的实施例获得的涂层均匀致密。对比例的涂层致密度较差，且涂层中基本以呈球形或椭球形的颗粒为主，说明涂层制备过程中粉末熔化不充分，导致涂层质量较差。由表1的数据可知，本发明实施例涂层的截面硬度、结合强度和孔隙率均明显优于对比例。
根据表1和表2可知，利用本发明实施例的方法能够成功在铝合金基体上形成铝青铜涂层，同时，该铝青铜涂层性能优异，能够提升基体的抗微动磨损。
综上所述，本发明通过采用铝青铜粉末，并控制热喷涂的燃烧参数和采用特定尺寸的喷嘴即能够使得铝青铜粉末充分熔化，能够在基体表面形成铝青铜涂层，且保证铝青铜涂层的质量和性能，继而提升其对铝合金基体的防护并提升铝合金的抗微动磨损性能。同时，又能够防止熔融后的铝青铜粘结喷嘴，保证喷涂的连续性，提升涂层的制备效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高铝合金抗微动磨损的方法，其特征在于，包括利用热喷涂将铝青铜粉末喷涂在铝合金基体表面形成铝青铜涂层，
热喷涂的燃烧参数为：液体燃料流量为18-22升/分钟，不可燃气体流量为850-950升/分钟，燃烧压力为7.5-9.0bar；
热喷涂采用的喷嘴为长度为90-120毫米，口径为9-11毫米的拉瓦尔喷嘴。
2.根据权利要求1所述的提高铝合金抗微动磨损的方法，其特征在于，所述热喷涂为超音速喷涂；
优选地，所述液体燃料为石油加工后形成的燃料；优选为煤油；
优选地，所述不可燃气体为氧气。
3.根据权利要求1或2所述的提高铝合金抗微动磨损的方法，其特征在于，在喷涂过程中控制所述铝合金基体和所述铝青铜涂层的温度；
优选地，喷涂过程中，所述铝合金基体的温度介于60-150℃之间；
优选地，喷涂过程中，所述铝青铜涂层的温度不超过180℃；
优选地，喷涂过程中，所述铝青铜涂层的温度超过180℃时，停止喷涂，将所述铝青铜涂层的温度降至100℃以下后，继续喷涂。
4.根据权利要求3所述的提高铝合金抗微动磨损的方法，其特征在于，以重量百分比计，所述铝青铜粉末包括铝5.0-15.0％，铁0.5-5.0％，其余量为铜；
优选地，所述铝青铜粉末的粒径为15-45微米。
5.根据权利要求4所述的提高铝合金抗微动磨损的方法，其特征在于，喷涂过程中，送粉速率为60-90克/分钟，喷涂距离为250-350毫米。
6.根据权利要求1所述的提高铝合金抗微动磨损的方法，其特征在于，在进行喷涂前，对所述铝合金基体进行预热处理，使得所述铝合金基体的温度介于60-150℃之间。
7.根据权利要求1所述的提高铝合金抗微动磨损的方法，其特征在于，在进行喷涂前，所述铝合金基体的粗糙度Ra大于3μm；
优选地，所述铝合金基体的粗糙度Ra3.5-4.6um；
在进行喷涂前，对所述铝合金基体进行吹砂处理，使得所述铝合金基体的粗糙度Ra大于3μm；
优选地，吹砂处理的条件为：吹砂压力0.2-0.4MPa，吹砂距离100-150毫米，吹砂角度35°-60°，吹砂材料为24～120#白刚玉、棕刚玉和锆刚玉中的任意一种。
8.一种铝合金，其特征在于，其通过权利要求1-7任一项所述的提高铝合金抗微动磨损的方法制备得到。
9.根据权利要求8所述的铝合金，其特征在于，所述铝青铜涂层的厚度为50-500微米。
10.根据权利要求8或9所述的铝合金，其特征在于，所述铝青铜涂层的孔隙率≤2％，截面硬度≥250HV0.3，结合强度≥35MPa，100℃-300℃微动抗磨寿命：往复微动摩擦循环数≥15000次。
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