DE112013003648T5 - Turbinenkomponente und Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente - Google Patents
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Abstract
Es sind eine Turbinenkomponente (101) und ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente offenbart. Das Verfahren enthält ein Aushöhlen eines Basismetalls (103) der Komponente, um einen Füllbereich (105) auszubilden, und Füllen des Füllbereichs (105) mit einem Füllbereich (107). Das Füllmetall (107) weist eine Füllmetalldehnung auf, die um wenigstens 25% größer ist als eine Basismetalldehnung des Basismetalls (103). Das Füllmaterial enthält, in Gewichtsprozent, zwischen etwa 4% und etwa 7% Eisen, zwischen etwa 14% und etwa 17% Chrom, zwischen etwa 15% und etwa 17% Molybdän, zwischen etwa 3% und etwa 5% Wolfram, bis zu etwa 0,02% Kohlenstoff, bis zu etwa 1% Mangan, bis zu etwa 2,5 Kobalt und Rest Nickel, und/oder die Füllmetalldehnung ist größer als etwa 35% Zoll/Zoll pro zwei Zoll.
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft hergestellte Komponenten und ein Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Komponenten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Turbinenkomponenten und Verfahren zur Herstellung von Turbinenkomponenten.
- HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
- Gasturbinen werden zunehmend höheren Temperaturen und/oder höheren Temperaturgradienten ausgesetzt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Derartige Temperaturbedingungen können eine Wärmeermüdung zur Folge haben. Einige Gasturbinenkomponenten weisen geometrische Merkmale, wie beispielsweise Kanten auf, die den Effekt derartiger Temperaturbedingungen verstärken.
- Eine Wärmeermüdung kann Risse oder andere Ermüdungsmerkmale einleiten/ausbilden, Risse oder andere Ermüdungsmerkmale erweitern und/oder Risse oder andere Ermüdungsmerkmale ausbreiten/ausdehnen. Derartige Risse oder andere Ermüdungsmerkmale können aus Betriebsgründen und/oder kosmetischen Gründen unerwünscht sein. Häufig begrenzen derartige Risse oder andere Ermüdungsmerkmale die Fähigkeit von Komponenten und/oder Materialien, bei hohen Temperaturen und/oder großen Temperaturgradienten eingesetzt zu werden.
- Zu bekannten Verfahren gehört die Behandlung von Bereichen der Komponenten, die hohen Temperaturen oder hohen Temperaturgradienten ausgesetzt sind. Derartige Verfahren umfassen die Verwendung hoher Energiemengen, um die Oberfläche derartiger Komponenten zu modifizieren, was dadurch einen vergrößerten Widerstand gegen Wärmeermüdung zur Folge hat. Derartige Verfahren leiden an dem Nachteil, dass sie kostspielig sind und je nachdem, wo derartige Verfahren durchgeführt werden, hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit beschränkt sein können.
- Weitere bekannte Verfahren umfassen die Verwendung eines einzelnen Materials, der gegen Wärmeermüdung beständig ist. Derartige Materialien können kostspielig sein und können andere Eigenschaften aufweisen, die nicht erwünscht sind. Bisher verwendeten die Verfahren nicht mehrere Materialien aufgrund der zusätzlichen Schritte und Kosten sowie aufgrund möglicher Kompatibilitätsprobleme, die mit der Verwendung mehrerer Materialien verbunden sind.
- Eine Turbinenkomponente und ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente, die nicht an einem oder mehreren der vorstehenden Nachteile leiden, würden in der Technik erwünscht sein.
- KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- In einer beispielhaften Ausführungsform enthält ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente ein Aushöhlen eines Basismetalls der Komponente, um einen Füllbereich auszubilden, und Füllen des Füllbereichs mit einem Füllmetall. Das Füllmetall weist eine Füllmetalldehnung auf, die um wenigstens 25% größer ist als eine Basismetalldehnung des Basismetalls. Das Füllmaterial enthält, in Gewichtsprozent, zwischen etwa 4% und etwa 7% Eisen, zwischen etwa 14% und etwa 17% Chrom, zwischen etwa 15% und etwa 17% Molybdän, zwischen etwa 3% und etwa 5% Wolfram, bis zu etwa 0,02% Kohlenstoff, bis zu etwa 1% Mangan, bis zu etwa 2,5% Kobalt und Rest Nickel.
- In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente ein Aushöhlen eines Basismetalls der Komponente, um einen Füllbereich auszubilden, und Füllen des Füllbereichs mit einem -Füllmetall. Das Füllmetall weist eine Füllmetalldehnung auf, die um wenigstens 25% größer ist als eine Basismetalldehnung des Basismetalls. Die Füllmetalldehnung beträgt mehr als etwa 35% Zoll/Zoll pro zwei Zoll.
- In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält eine Turbinenkomponente ein Basismetall und einen Füllbereich, der ein Füllmetall enthält. Das Füllmetall weist eine Füllmetalldehnung auf, die um wenigstens 25% größer ist als eine Basismetalldehnung des Basismetalls.
- Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die anhand eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer beispielhaften Komponente gemäß der Offenbarung. -
2 zeigt eine beispielhafte Turbinenkomponente gemäß der Offenbarung. -
3 zeigt eine beispielhafte Turbinenkomponente gemäß der Offenbarung. - Wo immer es möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen überall in den Zeichnungen verwendet, um die gleichen Teile zu kennzeichnen.
- DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Es sind eine beispielhafte Turbinenkomponente und ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten geschaffen. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erhöhen den Betriebswirkungsgrad, verringern die Kosten der Herstellung und/oder der Reparatur von Komponenten, ermöglichen den Betrieb bei höheren Temperaturen und/oder großen Temperaturgradienten, schützen Komponenten, die für eine Wärmeermüdung anfällige Geometrien aufweisen, reduzieren oder eliminieren die Einleitung/Ausbildung von Rissen oder anderen Ermüdungsmerkmalen, reduzieren oder eliminieren die Ausdehnung von Rissen oder anderen Ermüdungsmerkmalen, reduzieren oder eliminieren die Erweiterung/Ausbreitung von Rissen oder anderen Ermüdungsmerkmalen, ermöglichen die Verwendung von mehr als einem einzigen Material in den Komponenten, oder Kombinationen davon.
-
1 veranschaulicht ein Verfahren100 zur Herstellung einer Komponente, wie beispielsweise einer Turbinenkomponente101 . Die Turbinenkomponente101 enthält ein Basismetall103 . Gemäß dem Prozess100 wird das Basismetall103 ausgehöhlt (Schritt102 ), und es wird ein oder werden mehrere Füllbereiche105 ausgebildet. Der (die) Füllbereich(e)105 wird (werden) anschließend z. B. mit einem Füllmetall107 gefüllt (Schritt104 ). Das Aushöhlen (Schritt102 ) erfolgt durch ein beliebigen geeignetes Verfahren, das in der Lage ist, Material aus einem definierten Bereich zu entfernen. Geeignete Verfahren zum Entfernen von Material umfassen maschinelle Bearbeitung, Schleifen, Abtragen, Feilen, Sägen, funkenerosive Bearbeitung oder Kombinationen davon, sind jedoch nicht darauf beschränkt. - Die Turbinenkomponente
101 ist eine beliebige geeignete Komponente, die von den Eigenschaften profitiert, die damit verbunden sind, dass sie gefüllt wird (Schritt104 ). In einer Ausführungsform ist die Turbinenkomponente101 eine Brennstoffdüsenspitze. In einer Ausführungsform ist die Turbinenkomponente101 eine Gasturbinenkomponente. In einer Ausführungsform ist die Turbinenkomponente101 eine Turbinenmotor- bzw. Turbinentriebwerkskomponente. Andere geeignete Turbinenkomponenten umfassen Verbrennungskappenanordnungen und/oder ihre Teilkomponenten, Flammrohranordnungen und/oder ihre Teilkomponenten, Übergangsstücke und ihre Teilkomponenten oder Kombinationen von diesen, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. - Das Basismetall
103 , das von der Turbinenkomponente101 ausgehöhlt wird (Schritt102 ), ist ein beliebiges geeignetes Metall, ein metallisches Material oder ein Verbundwerkstoff. In einer Ausführungsform ist das Basismetall103 ein Gussmetall. In einer Ausführungsform ist das Basismetall103 ein warmgewalztes Metall. In einer Ausführungsform ist das Basismetall103 ein Stangenmetall. In einer Ausführungsform weist das Basismetall103 eine Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von etwa zwischen etwa 17% und etwa 24% Chrom, zwischen etwa 16% und etwa 20% Eisen, zwischen etwa 8% und etwa 10% Molybdän, zwischen etwa 1% und etwa 2% Kobalt, zwischen etwa 0,5% und etwa 0,7% Wolfram, bis zu etwa 1% Mangan, bis zu etwa 1% Silizium, zufällige Verunreinigungen und Rest Nickel auf. In einer weiteren Ausführungsform weist das Basismetall103 eine Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, zwischen etwa 0,04% und etwa 0,08% Kohlenstoff, bis zu etwa 0,4% Silizium, bis zu etwa 0,6% Mangan, bis zu etwa 0,007% Schwefel, bis zu etwa 0,0005% Silber, bis zu etwa 0,6% Aluminium, bis zu etwa 0,005% Bor, bis zu etwa 0,0001% Wismut, zwischen etwa 19% und etwa 21% Kobalt, zwischen etwa 19% und etwa 21% Chrom, bis zu etwa 0,2 Kupfer, bis zu etwa 0,7% Eisen, zwischen etwa 5,6% und etwa 6,1% Molybdän, bis zu etwa 0,002% Blei, zwischen etwa 1,9% und etwa 2,4% Titan, zwischen etwa 2,4% und etwa 2,8% Aluminium/Titan und Rest Nickel auf. In einer weiteren Ausführungsform weist das Basismetall103 eine Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, zwischen etwa 0,05% und etwa 0,15% Kohlenstoff, bis zu etwa 1,3% Mangan, zwischen etwa 0,2% und etwa 0,5 Silizium, bis zu etwa 0,02% Phosphor, bis zu etwa 0,015% Schwefel, zwischen etwa 21% und etwa 23% Nickel, zwischen etwa 13% und etwa 15% Wolfram, zwischen etwa 0,03% und etwa 0,12% Lanthan, bis zu etwa 0,015% Bor, bis zu etwa 3% Eisen und Rest Kobalt auf. - Der Füllbereich
105 , der innerhalb des Basismetalls103 der Turbinenkomponente101 ausgebildet wird, weist eine Geometrie auf, die, nachdem sie gefüllt worden ist (Schritt104 ), einen erhöhten Widerstand gegen Temperaturdifferenzen ermöglicht. Der Füllbereich105 wird durch einen (nicht veranschaulichten) entfernten Bereich definiert, der aus dem Basismetall103 ausgehöhlt wird (Schritt102 ). In einer Ausführungsform ist der entfernte Bereich z. B. fehlerfreies Material, Material, das im Wesentlichen und/oder vollständig frei von Ermüdungsmerkmalen, Oberflächenunebenheiten und/oder anderen unerwünschten Ergebnissen eines längeren Betriebseinsatzes ist. In einer anderen Ausführungsform ist der entfernte Bereich z. B. ein Reparaturbereich, der ein oder mehrere Ermüdungsmerkmale113 aufweist. In weiteren Ausführungsformen enthält der entfernte Bereich fehlerfreies Material und Material mit dem (den) Ermüdungsmerkmal(en)113 .2 zeigt eine Ausführungsform der Turbinenkomponente101 , wobei das Füllmetall107 das gesamte Basismetall103 (außer einen Diffusor109 und eine Brennzone111 ) bedeckt. - Wie in
1 veranschaulicht, befindet sich der Füllbereich105 in einer Ausführungsform zwischen einer ersten Zone, wie beispielsweise einem Bereich, der einen oder mehrere der Diffusoren109 umgibt (z. B. in einer Brennstoffdüsenspitze), und einer zweiten Zone, beispielsweise einem Bereich, der die Brennzone111 umgibt (z. B. in einer Brennstoffdüsenspitze). In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Füllbereich105 von der zweiten Zone in mehrere, beispielsweise 5, Richtungen zu der ersten Zone hin. In einer Ausführungsform ist die erste Zone gegen eine erste Temperatur beständig und/oder arbeitet bei einer ersten Temperatur, während die zweite Zone gegen eine zweite Temperatur beständig ist und/oder bei einer zweiten Temperatur arbeitet, die um eine Temperaturdifferenz größer ist als die erste Temperatur. Die erste Temperatur, die zweite Temperatur und die Temperaturdifferenz beziehen sich auf die Temperatur des Basismetalls103 und/oder des Füllmetalls107 im Gegensatz zu einer Lufttemperatur in der Nähe des (der) Diffusors (Diffuseren)109 und einer Flammentemperatur in der Nähe der Brennzone111 . In einer Ausführungsform entsprechen die Lufttemperatur und die Verbrennungstemperatur während eines Betriebs der ersten Temperatur, der zweiten Temperatur und einem Kaltluftstrom. In einer Ausführungsform beträgt die Lufttemperatur etwa 1700°F, während die Verbrennungstemperatur etwa 3000°F beträgt und der Kaltluftstrom etwa 200°F aufweist. - In einer Ausführungsform liegt die erste Temperatur bei etwa 700°F, bei etwa 800°F, bei etwa 900°F, zwischen 700°F und etwa 900°F, zwischen etwa 750°F und etwa 850°F, zwischen 750°F und etwa 800°F, zwischen etwa 800°F und etwa 850°F, ist größer als etwa 750°F, größer als etwa 800°F, kleiner als etwa 900°F, kleiner als etwa 850°F oder liegt in einem beliebigen geeigneten Bereich, Teilbereich, einer Kombination oder Teilkombination von diesen. Zusätzlich oder alternativ liegt die zweite Temperatur in einer Ausführungsform bei etwa 1300°F, bei etwa 1400°F, bei etwa 1500°F, zwischen 1300°F und etwa 1500°F, zwischen etwa 1350°F und etwa 1450°F, zwischen 1350°F und etwa 1400°F, zwischen etwa 1400°F und etwa 1450°F, ist größer als etwa 1350°F, größer als etwa 1400°F, kleiner als etwa 1500°F, kleiner als etwa 1450°F oder liegt in einem beliebigen geeigneten Bereich, Teilbereich, einer Kombination oder Teilkombination von diesen. In einer Ausführungsform beträgt die Temperaturdifferenz zwischen der zweiten Temperatur und der ersten Temperatur etwa 500°F, etwa 600°F, etwa 700°F, zwischen 500°F und etwa 700°F, zwischen etwa 550°F und etwa 650°F, zwischen 550°F und etwa 600°F, zwischen etwa 600°F und etwa 650°F, ist größer als etwa 550°F, größer als etwa 600°F, kleiner als etwa 700°F, kleiner als etwa 750°F oder liegt in einem beliebigen geeigneten Bereich, Teilbereich, einer Kombination oder Teilkombination von diesen.
- Wie in
3 veranschaulicht, weist die Turbinenkomponente101 in einer Ausführungsform einen ersten temperaturbeständigen Bereich301 , wie beispielsweise den Bereich, der den (die) Diffusor(en)109 umgibt, und einen zweiten temperaturbeständigen Bereich303 auf, wie beispielsweise den Bereich, der die Brennzone111 umgibt. Im Betrieb der Turbinenkomponente101 ist der erste temperaturbeständige Bereich301 geringeren Temperaturen als der zweite temperaturbeständige Bereich303 , wie beispielsweise der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur, wie vorstehend beschrieben, ausgesetzt. In einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich ein oder mehrere temperaturbeständige Zwischenbereiche305 zwischen dem ersten temperaturbeständigen Bereich301 und dem zweiten temperaturbeständigen Bereich303 . In einer Ausführungsform entspricht der Füllbereich105 einem Teil oder der Gesamtheit des ersten temperaturbeständigen Bereichs301 , des zweiten temperaturbeständigen Bereichs303 , des temperaturbeständigen Zwischenbereiches (der Zwischenbereiche)305 oder einer Kombination von diesen. - Der Füllbereich
105 wird mit einem Füllmetall107 gefüllt (Schritt104 ), nachdem er z. B. gereinigt oder in sonstiger Weise vorbehandelt worden ist. In einer Ausführungsform wird der Füllbereich105 durch Schweißen gefüllt (Schritt104 ). Zu geeigneten Schweißtechniken gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen, Metall-Inertgas-Schweißen, Reibschweißen, Hartlöten oder eine Kombination von diesen. - Das Füllmetall
107 weist eine Füllmetalldehnung auf, die um wenigstens 25% größer und/oder um wenigstens 50% größer als eine Basismetalldehnung des Basismetalls103 ist. In weiteren Ausführungsformen ist die Füllmetalldehnung größer als etwa 40% Zoll/Zoll pro zwei Zoll, größer als etwa 50% Zoll/Zoll pro zwei Zoll, liegt zwischen etwa 35% und etwa 60% Zoll/Zoll pro zwei Zoll, zwischen etwa 40% und etwa 60% Zoll/Zoll pro zwei Zoll, zwischen etwa 50% und etwa 60% Zoll/Zoll pro zwei Zoll, bei etwa 40% Zoll/Zoll pro zwei Zoll, bei etwa 50% Zoll/Zoll pro zwei Zoll, bei etwa 59% Zoll/Zoll pro zwei Zoll oder in einem beliebigen geeigneten Bereich, Teilbereich, einer Kombination oder Teilkombination von diesen. In einer Ausführungsform beträgt die Füllmetalldehnung zwischen etwa 9% und etwa 47% Zoll/Zoll pro zwei Zoll. - In einer Ausführungsform weist das Füllmetall
107 eine lösungsgeglühte Mikrostruktur auf. In einer Ausführungsform enthält das Füllmetall107 , in Gewichtsprozent, zwischen etwa 4% und etwa 7% Eisen, zwischen etwa 14% und etwa 17% Chrom, zwischen etwa 15% und etwa 17% Molybdän, zwischen etwa 3% und etwa 5% Wolfram, bis zu etwa 0,02% Kohlenstoff, bis zu etwa 1% Mangan, bis zu etwa 2,5 Kobalt und Rest Nickel. In einer Ausführungsform weist das Füllmetall107 eine Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von etwa 0,005% C, 0,150% Mn, etwa 0,005% P, etwa 0,002% S, etwa 0,03% Si, etwa 15,50% Cr, etwa 16,0% Mo, etwa 3,50% W, etwa 0,15% V, etwa 0,10% Co, etwa 6,00% Fe, zufällige Verunreinigungen und Rest Ni. - Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, wird es für Fachleute auf dem Gebiet verständlich sein, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können und Elemente von dieser durch äquivalente Mittel ersetzt werden können, ohne dass von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichen Umfang abzuweichen. Folglich besteht die Absicht, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform, die als die beste Art zur Ausführung der Erfindung offenbart ist, beschränkt sein soll, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Claims (20)
- Verfahren zur Herstellung einer Komponente, das aufweist: Aushöhlen eines Basismetalls der Komponente, um einen Füllbereich auszubilden; und Füllen des Füllbereichs mit einem Füllmetall; wobei das Füllmetall eine Füllmetalldehnung aufweist, die um wenigstens 25% größer ist als eine Basismetalldehnung des Basismetalls; wobei das Füllmaterial eine Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von etwa 0,005% C, 0,150% Mn, etwa 0,005% P, etwa 0,002% S, etwa 0,03% Si, etwa 15,50% Cr, etwa 16,0% Mo, etwa 3,50% W, etwa 0,15% V, etwa 0,10% Co, etwa 6,00% Fe, zufällige Verunreinigungen und Rest Ni aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Füllen durch Schweißen erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schweißen Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen ist.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schweißen Metall-Inertgas-Schweißen ist.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schweißen Reibschweißen ist.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schweißen Hartlöten ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Füllmetall eine lösungsgeglühte Mikrostruktur aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Füllmetalldehnung größer ist als etwa 35% Zoll/Zoll für zwei Zoll.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Füllbereich sich zwischen einer ersten Zone und einer zweiten Zone befindet, wobei die erste Zone gegen höhere Temperaturen beständig ist als die zweite Zone.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein durch das Aushöhlen des Basismetalls entfernter Bereich fehlerfreies Material ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Reparaturbereich durch das Aushöhlen des Basismetalls entfernt wird, wobei der Reparaturbereich ein oder mehrere Ermüdungsmerkmale aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Basismetall ein Gussmetall ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Basismetall warmgewalztes Metall ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Basismetall ein Stangenmetall ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente eine Gasturbinenkomponente ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente eine Turbinenmotor-/Turbinentriebwerkskomponente ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand eine Kraftstoffdüsenspitze ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand eine Übergangskomponente mit einem Diffusorabschnitt und einem Verbrennungsabschnitt ist.
- Verfahren zur Herstellung der Komponente, das aufweist: Aushöhlen eines Basismetalls einer Komponente, um einen Füllbereich auszubilden; und Füllen des Füllbereichs mit einem Füllmetall; wobei das Füllmetall eine Füllmetalldehnung aufweist, die um wenigstens 25% größer ist als eine Basismetalldehnung des Basismetalls; wobei die Füllmetalldehnung größer ist als etwa 35% Zoll/Zoll pro zwei Zoll.
- Turbinenkomponente die aufweist: ein Basismetall; und einen Füllbereich, der ein Füllmetall enthält; wobei das Füllmetall eine Füllmetalldehnung aufweist, die um wenigstens 25% größer ist als eine Basismetalldehnung des Basismetalls.
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