DE4105419A1 - Verfahren zum herstellen von scheiben aus zwei legierungen - Google Patents
Verfahren zum herstellen von scheiben aus zwei legierungenInfo
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Description
Die vorliegende Anmeldung steht in Beziehung zu den
folgenden am gleichen Tage eingereichten deutschen
Patentanmeldungen:
1. Anwaltsakte 12 956.6, Priorität der US Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 87 095 vom 2. März 1990,
2. Anwaltsakte 12 957.7, Priorität der US Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 87 511 vom 2. März 1990 sowie
der US Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 89 300 vom 5. März 1990.
1. Anwaltsakte 12 956.6, Priorität der US Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 87 095 vom 2. März 1990,
2. Anwaltsakte 12 957.7, Priorität der US Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 87 511 vom 2. März 1990 sowie
der US Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 89 300 vom 5. März 1990.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung
von Strukturen aus mehr als einer
Legierungszusammensetzung. Mehr im besonderen bezieht sie
sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Scheiben mit
einem inneren Kern einer Legierungszusammensetzung und
einem Rand aus einer Legierung aus einer anderen
Zusammensetzung.
Es ist bekannt, daß Superlegierungen, die Nickelbasis- und
Eisenbasis-Superlegierungen einschließen, sehr viel in
Anwendungen eingesetzt wurden, die eine hohe Festigkeit bei
hoher Temperaturen erfordern. Das Design von
Strahltriebwerken wurde zu einem großen Teil durch die
Eigenschaften bestimmt, die Superlegierungen, die als
Herstellungsmaterialien für Komponenten des Triebwerkes
eingesetzt wurden, aufweisen. In dem Maße, in dem die
Eigenschaften der Legierungen verbessert werden, verbessert
sich das Design der Strahltriebwerke, und es können größere
Verhältnisse von Schub zu Gewicht erzielt werden. Ein
Betrieb bei höherer Temperatur führt allgemein zu einer
größeren Brennstoffausnutzung bei solchen Triebwerken und
der Drang nach höheren Betriebstemperaturen und
Superlegierungsmaterialien, die bei solchen höheren
Temperaturen eingesetzt werden können, ist ein
fortgesetztes Designkriterium für die Herstellung immer
effizienterer Strahltriebwerke. Der Bedarf an hochfesten
Superlegierungen, die bei höherer Temperatur eingesetzt
werden können, ist fortgesetzt vorhanden, da Anstrengungen
unternommen werden, die Leistungsfähigkeit für
Strahltriebwerke weiter zu verbessern.
Viele metallurgische Fortschritte haben die Verbesserung
hochfester Superlegierungen unterstützt. Diese Fortschritte
haben den Volumenanteil der Ausscheidungen für die
Verfestigung von Gamma-Legierungen erhöht. Es wurden auch
Verbesserungen durch die Anwendung der Pulvermetallurgie
und die Benutzung des isothermen Schmiedens erzielt. Auf
diese Weise wurden Verbesserungen hinsichtlich der
Temperaturfähigkeit von Superlegierungen erzielt. Es ist
bekannt, daß nicht alle Komponenten eines Strahltriebwerkes
den gleichen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, und daß
verschiedene metallurgische Zusammensetzungen in
verschiedenen Komponenten des Triebwerkes benutzt werden
können, um den Anforderungen der jeweiligen Komponente am
besten zu dienen.
Es gibt einige Teile, bei denen ein Wechsel in den
Eigenschaften stattgefunden hat, weil das Teil groß genug
ist, so daß die Betriebsbedingungen des Triebwerkes über
das gesamte Ausmaß des Teiles nicht gleichmäßig sind.
Anders ausgedrückt treffen gewisse große Stücke, die in
einem Triebwerk installiert sind, auf unterschiedliche
Temperaturen und unterschiedliche Eigenschaftsanforderungen
von einem Abschnitt der Komponente zu einem anderen. Für
solche großen Komponenten ist es erforderlich, eine
Eigenschaft an einer Stelle der Komponente zu opfern, um
eine akzeptable Eigenschaft an einer anderen Stelle zu
erhalten. Solche unterschiedlichen Eigenschaften sind zum
Beispiel in Triebwerksscheiben erforderlich, die mit hohen
Geschwindigkeiten von 12 000 U/min und mehr rotieren und zur
Anwendung hoher Spannung auf Abschnitte der Scheibe und
insbesondere in den äußeren Abschnitten der Scheibe führen.
Um die unterschiedlichen Eigenschaftsanforderungen der
verschiedenen Abschnitte der Scheibe zu kompensieren,
wurden Schemen und Verfahren entwickelt, um dem inneren und
äußeren Abschnitt solcher Scheiben erwünschte
Eigenschaftskombinationen zu verleihen. So ist in der US-PS
48 20 358 ein Verfahren offenbart, mit dem eine Scheibe aus
einer einzelnen Legierung hergestellt wird, der in ihrem
Inneren oder Kernabschnitt andere Eigenschaften verliehen
werden als in ihrem Äußeren oder Randabschnitt. Das
Erzielen unterschiedlicher Eigenschaften in den
verschiedenen Abschnitten der Scheibe ist eine wertvolle
Leistung.
Es sind andere Anstrengungen unternommen worden, um einen
inneren Abschnitt einer Scheibe aus einer Legierung und
einen äußeren Abschnitt aus einer anderen Legierung
herzustellen. Es haben sich jedoch Probleme ergeben, wo
Anstrengungen unternommen wurden, die beiden Legierungen
miteinander zu verbinden. Existieren Oxidschichten an der
Grenze, dann ist es schwierig sicher zu sein, daß irgendein
Verschweißen, das stattgefunden hat, die Anwesenheit des
Oxids überwindet und keinen Schwachbereich in der Scheibe
zurückläßt. Der Nachweis von Fehlern in solchen
Verschweißungen zwischen einem inneren und einem äußeren
Abschnitt einer Scheibe ist schwierig.
Das erfindungsgemäße Verfahren richtet sich auf die
Überwindung der Schwierigkeit der Anwesenheit einer
Oxidschicht, die Schwachpunkte oder unvollständige
Schweißungen zwischen dem inneren und äußeren Abschnitt von
Legierungsscheiben verursachen kann, wo der innere und
äußere Abschnitt aus unterschiedlichen
Legierungsmaterialien bestehen.
Es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zum Herstellen einer Verbundscheibe aus zwei oder
mehr unterschiedlichen Legierungen für den inneren und
äußeren Abschnitt davon zu schaffen. Eine andere Aufgabe
ist die Schaffung einer Struktur, bei der zwei Legierungen
ohne eine deutliche Oxidschicht dazwischen miteinander
verbunden sind. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung
eines Verfahrens zum Herstellen einer Vorform einer Scheibe
mit zwei verschiedenen Metallen. Eine weitere Aufgabe ist
die Schaffung einer Scheibenstruktur, bei der zwei
unterschiedliche Legierungen im inneren und äußeren
Abschnitt davon vorhanden sind.
Weitere Aufgaben sind teilweise offensichtlich und ergeben
sich teilweise aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einem seiner breiteren Aspekte werden die Aufgaben
der Erfindung gelöst durch Schaffen einer Spritzform-
Vorrichtung, bei der ein erstes Metall als ein Strom aus
einem ersten Tiegel zu einer Zerstäubungszone fließt. Das
erste Metall wird in dieser Zone zerstäubt und auf einem
rotierenden Dorn abgeschieden, um eine erste Schicht einer
Vorform auf dem Dorn zu bilden. Das Spritzen bzw.
Zerstäuben des ersten Metalles zur Bildung einer Vorform
auf dem Dorn wird fortgesetzt. Wenn die letzten Teile des
ersten Metalles im Ausgabetiegel vorhanden sind, gießt man
einen kleinen Teil eines zweiten Metalles aus einem zweiten
Tiegel in den ersten Tiegel, um das erste und das zweite
Metall darin zu vermischen. Dann setzt man die
Spritzabscheidung fort, um die vermischten Metalle aus dem
ersten Tiegel durch Spritzen auf der Vorform abzuscheiden
und den Durchmesser der Vorform zu vergrößern. Es wird
weiteres Metall aus dem zweiten Tiegel kontinuierlich in
den ersten Tiegel gegossen. Als Ergebnis verschwindet das
erste Metall im wesentlichen aus dem ersten Tiegel und das
Volumen des zweiten Metalles im ersten Tiegel nimmt zu.
Dies führt zur Bildung einer Vorform auf dem Dorn, bei dem
das erste Metall direkt auf dem Dorn liegt und die inneren
Abschnitte der Vorform bildet, während das zweite Metall
mit dem ersten Metall verbunden ist und die äußeren
Abschnitte der Vorform bildet.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung eines
Dornes, einer Vorform, eines Zerstäubungstiegels und eines
zweiten Tiegels,
Fig. 2 eine schematische Darstellung ähnlich der der Fig.
1, die das Gießen von Metall aus dem zweiten Tiegel in den
ersten Tiegel veranschaulicht und
Fig. 3 eine graphische Darstellung, bei der der
Volumenprozentanteil des ersten Metalles und der
Volumenprozentanteil des zweiten Metalles, die im ersten
Tiegel vorhanden sind, gegen die Zeit auf der Ordinate
aufgetragen sind.
Es ist bekannt, daß eine mikrostrukturelle Verbindung
häufig schwierig zu erhalten ist, wenn man eine zweite
Zusammensetzung auf ein Substrat aufbringt, weil eine
Oxidschicht vorhanden ist, das Substrat nicht sauber ist
oder man nicht die optimale Temperaturkontrolle des zu
überziehenden Teiles erhalten hat.
Oxidschichten bilden sich sehr rasch auf Metall, das bei
hoher Temperatur bearbeitet wird, und solche Oxidschichten
können die Bildung einer erwünschten Verbindung zwischen
einem Substrat oder einer auf dem Substrat gebildeten
Schicht und einer nachfolgend aufgebrachten Metallschicht
beeinträchtigen.
In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß es
möglich ist, diesen Nachteil des Standes der Technik mit
einem Verfahren zu überwinden, das entwickelt wurde und in
der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
In Fig. 1 ist ein Dorn 10 gezeigt, der mittels nicht
dargestellter Einrichtung innerhalb einer Umhüllung
montiert ist, in der er durch eine inerte Atmosphäre
geschützt ist. Der Dorn ist so montiert, daß er eine Dreh-
und eine hin- und hergehende axiale Bewegung ausführen
kann, so daß ein Spritznebel 12, der aus einer
Zerstäubungszone 14 kommt, auf einem Teil der
Dornoberfläche eine Abscheidung 16 bilden kann. Die
Abscheidung 16 liegt als Vorform vor. Eine Vorform ist ein
Materialkörper geeigneter Art und Gestalt, die es
gestatten, die Vorform später zu einem Gegenstand, wie
einer Scheibe oder einem anderen Gegenstand zu verarbeiten,
der eine geeignete Form für einen entgültigen Gebrauch hat,
zum Beispiel innerhalb einer Flugzeugturbine.
Der sich nach unten bewegende Strom 18 aus geschmolzenem
Metall stammt aus einem Körper 22 flüssigen Metalls
innerhalb eines Ausgabe- oder ersten Tiegels 24. Der Strom
18 strömt nach unten in eine Zerstäubungszone 14.
In der Zerstäubungszone 14 wird der Strom 18 aus
geschmolzenem Metall durch Gasströme 20 zerstäubt, die aus
Düsen 21 austreten und in die Zerstäubungszone gerichtet
sind. Die Gasquellen sind nicht gezeigt, doch wird übliches
inertes Spritzformgas, wie Argon, benutzt. Das zum
Zerstäuben benutzte Inertgas schützt die zerstäubten
Tröpfchen und die gespritzte Abscheidung vor Oxidation in
einer für das Spritzformen üblichen Weise.
Die Spritzzerstäubung eines flüssigen Metalles und die
Aufnahme der durch die Zerstäubung gebildeten Tröpfchen auf
einer festen Oberfläche zur Bildung einer Abscheidung ist
eine bekannte Praxis und allgemein als Spritzformen der
Abscheidung bekannt. In dem vorliegenden beispielhaften
Falle bildet die Abscheidung eine Schicht 16 auf einem
Dorn, und die Abmessungen, einschließlich Breite, Länge,
Dicke usw., der Schicht sind derart, daß die Vorform später
mechanisch zu einer gewünschten Gestalt verarbeitet werden
kann, wie dem Zentrum oder inneren Teil einer Scheibe, die
in einer Strahltriebwerksstruktur brauchbar ist.
Ein zweiter Tiegel 26, der ein zweites geschmolzenes Metall
28 enthält, das durch eine den Tiegel umgebende
Induktionsspule 30 im geschmolzenen Zustand gehalten wird,
ist nahe dem ersten Tiegel 24 angeordnet, um das Gießen des
flüssigen Metalles 28 in den ersten Tiegel 24 zu gestatten.
Der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist jedoch zu
entnehmen, daß das zweite Metall 28 innerhalb des Tiegels
26 zurückgehalten wird, während der Vorrat an erstem
flüssigen Metall 22 bis zu einem relativ kleinen Volumen
vermindert ist.
Die in Fig. 2 gezeigten Elemente der Vorrichtung
entsprechen denen der Fig. 1, und sie tragen im
wesentlichen die gleichen Bezugszahlen.
In Fig. 2 ist der Beginn des Gießens des Inhaltes des
zweiten Tiegels 26 in den ersten Tiegel 24 dargestellt, um
die Zerstäubung und das Spritzformen der Vorform 16 auf dem
Dorn 10 fortzusetzen, wozu man jedoch eine Mischung des
bereits im ersten Tiegel 24 befindlichen ersten Metalles
und des zweiten Metalles 28 benutzt, das als Strom 32 vom
oberen Teil des zweiten Tiegels 26 in den ersten Tiegel 24
eintritt.
Das Ergebnis des Gießens und der fortgesetzten Zerstäubung,
die stattfindet, ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 ist
der Volumenprozentanteil der ersten Legierung, als
Legierung A bezeichnet, und der zweiten Legierung, als
Legierung B bezeichnet, in graphischer Form dargestellt.
Zur Zeit T0 beträgt der Volumenprozentanteil der Legierung
A im ersten oder Ausgabetiegel 100%. Mit vorschreitender
Zeit vermindert sich der Volumenprozentanteil der Legierung
A, bis ein Zeitpunkt Tb erreicht ist, der in Fig. 3 durch
eine vertikale gestrichelte Linie dargestellt ist. Zu
diesem Zeitpunkt ist die Konzentration der Legierung im
Ausgabetiegel noch immer zu 100% Legierung A, während der
Volumenprozentanteil der Legierung im Tiegel unter 50%
gefallen ist. Zu diesem Zeitpunkt beginnt man mit der
Zugabe der Legierung B aus dem zweiten oder Reservetiegel
26 zum Ausgabetiegel 24. Die vertikale gestrichelte Linie
bezeichnet somit den Zeitpunkt Tb, bei dem man mit dem
Gießen der Legierung B aus dem zweiten Tiegel 26 beginnt.
Das Ergebnis ist eine Verdünnung der Legierung A durch eine
Menge der Legierung B, so daß die aus dem Ausgabetiegel
strömende Legierung eine Kombination der Legierungen A und
B ist. Eine minimale Verdünnung der Legierung A mit der
Legierung B wird erzielt, wenn das Gießen der Legierung B
in den Zerstäubungstiegel zeitlich bemessen ist, so daß der
Metallstrom ununterbrochen ist und doch das Volumen der
Legierung A klein ist, wenn das Gießen der Legierung B
beginnt. Diese Konzentration der Legierung B im
Ausgabetiegel vergrößert sich, bis ein Maximum zur Zeit Td
erreicht wird und das Gießen aus dem Tiegel 26 vollständig
ist. Zur Zeit Td enthält der Zerstäubungstiegel die meiste
Legierung B, obwohl sie sehr wenig mit Legierung A verdünnt
ist, wie durch die gestrichelte Linie veranschaulicht, die
die Konzentration der Legierung A nach der Zeit Tb anzeigt.
Diese Linie ist gestrichelt, da sie mit dem genauen Volumen
der Legierung A variiert, das im Ausgabetiegel verbleibt,
wenn die Zugabe der Legierung B beginnt.
Die Legierung B wird dann zerstäubt, um die vorherrschende
äußere Zusammensetzung des gebildeten Teiles zu bilden. Das
Verfahren wird bis zur Zeit Te fortgesetzt, zu der der
Zerstäubungstiegel kein Metall mehr enthält.
Ein Problem, das sich bei der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt, ist, daß es eine
Aufgabe des Verfahrens ist, eine Vorform zu schaffen, bei
der vorwiegend ein Metall, im Beispiel das Metall A, den
inneren Abschnitt der Vorform bildet und ein zweites
Metall, im dargestellten Falle das Metall B, hauptsächlich
den äußeren Abschnitt der Vorform bildet. In Abhängigkeit
von der Art des Gießens und den besonderen Eigenschaften
der Ausrüstung, die benutzt wird, mag es erforderlich sein,
einige nachfolgende Gießstufen bei dem Verfahren zu
benutzen, um sicher zu stellen, daß das erste Metall, A,
aus dem Ausgabetiegel herausgeflossen ist, bevor die Masse
des zweiten Metalles B, zu dem Ausgabetiegel hinzugegeben
wird. Zu diesem Zwecke mag es erwünscht sein, eine Anzahl
von Zugaben geringen Volumens aus der Legierung B zum
Ausgabetiegel vorzunehmen, wenn der Volumenprozentanteil
der Legierung A im Tiegel recht gering ist. Solche geringen
Zugaben können die Wirkung haben, die letzten Reste der
Legierung A aus dem Ausgabetiegel herausfließen zu lassen,
bevor die Hauptzugabe der Legierung B zum Ausgabetiegel
erfolgt. Außerdem können solche Zugaben die Wirkung haben
und sicherstellen, daß der Grenzbereich zwischen dem
inneren und äußeren Abschnitt der Vorform aus einer
Mischung der beiden Legierungen, A und B, gebildet wird und
demgemäß daß es eine kontinuierliche Spritzabscheidung aus
Legierung auf dem Dorn ohne Unterbrechung gibt und ohne die
Möglichkeit der Bildung einer unerwünschten Oxidschicht.
Die Kriterien für die Auswahl spezieller Legierungen zum
Einsatz in Kombination, die die Eigenschaften eines
Produktes, wie einer Scheibe, die aus den Legierungen
gebildet wird, verbessern, sind zweifach. Ein erster Satz
von Kriterien betreffen die Eigenschaften, die im ersten
Abschnitt des Produktes angestrebt werden, und der zweite
Satz von Kriterien betrifft die Eigenschaften, die im
zweiten Abschnitt des Produktes angestrebt werden.
Im Falle einer Scheibe ist der erste Abschnitt des
Produktes der innere oder Kernabschnitt. Für diesen
Abschnitt ist eine hohe Festigkeit in der Legierung
erforderlich. Eine Legierung, wie Rene′ 95, die eine im
Handel erhältliche Legierung ist, deren Zusammensetzung in
Standard Handbüchern, wie dem Metals Handbook, das von der
American Society for Metals veröffentlicht wird, zu finden
ist, hat eine geeignete hohe Festigkeit und andere
erwünschte Eigenschaften zum Einsatz im Kern einer Scheibe.
Der äußere Abschnitt der Scheibe benötigt eine Legierung,
die eine geringe Ermüdungsriß-Ausbreitungsgeschwindigkeit
hat. Zwei Legierungen mit einer solchen geringen
Ermüdungsriß-Ausbreitungsgeschwindigkeit sind Astroloy und
Waspalloy. Diese beiden Legierungen sind im Handel
erhältlich, und ihre Zusammensetzungen sind ebenfalls in
Standardtexten, wie dem o. g. Metals Handbook zu finden.
Information hinsichtlich der relativen
Rißausbreitungsgeschwindigkeiten dieser Legierungen im
Vergleich zu Rene′95 findet sich in Fig. 1 der US-PS
48 67 812.
Wird eine Kombination zweier solcher Legierungen, das heißt
eine Kombination von Rene′95 mit Waspalloy oder eine
Kombination von Rene′95 mit Astroloy benutzt, dann wird
davon ausgegangen, daß die Gesamteigenschaften der aus
einer solchen Kombination gebildeten Scheibe besser sind,
als die einer Scheibe, die vollständig nur aus einem
solchen Metall hergestellt ist. Es können auch andere
Kombinationen solcher Metalle benutzt werden. Der aus einer
Kombination zweier solcher Legierungen unter Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Gegenstand
braucht nicht nur auf scheibenartige Gegenstände beschränkt
zu sein, sondern es können mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch andere größere Gegenstände hergestellt
werden, insbesondere wenn der Gegenstand groß genug ist,
auf unterschiedliche Temperaturen oder unterschiedliche
Eigenschaftsanforderungen in seinen verschiedenen
Abschnitten zu treffen.
Claims (6)
1. Verfahren zum Herstellen einer konzentrischen
Metallstruktur aus mindestens zwei verschiedenen Metallen,
umfassend:
Schaffen einer Spritzformvorrichtung, bei der ein Strom aus geschmolzenem Metall aus einem Ausgabetiegel zu einer Zerstäubungszone strömt,
Strömenlassen eines Zerstäubungsgases in die genannte Zone, um den Strom aus geschmolzenem Metall zu zerstäuben,
Abscheiden des zerstäubten Metalles aus der Zone als eine Schicht auf einem rotierenden Dorn,
Schaffen eines zweiten Tiegels, der ein zweites geschmolzenes Metall enthält,
Gießen des Metalles aus dem zweiten Tiegel in den Ausgabetiegel, wenn der letzte Teil des ersten Metalles noch im Ausgabetiegel vorhanden ist und
Fortsetzen des Gießens des zweiten Metalles in den Ausgabetiegel, während die Spritzabscheidung des Metalles aus dem Ausgabetiegel fortgesetzt wird, um eine äußere Schicht aus dem zweiten Metall auf der Vorform zu bilden.
Schaffen einer Spritzformvorrichtung, bei der ein Strom aus geschmolzenem Metall aus einem Ausgabetiegel zu einer Zerstäubungszone strömt,
Strömenlassen eines Zerstäubungsgases in die genannte Zone, um den Strom aus geschmolzenem Metall zu zerstäuben,
Abscheiden des zerstäubten Metalles aus der Zone als eine Schicht auf einem rotierenden Dorn,
Schaffen eines zweiten Tiegels, der ein zweites geschmolzenes Metall enthält,
Gießen des Metalles aus dem zweiten Tiegel in den Ausgabetiegel, wenn der letzte Teil des ersten Metalles noch im Ausgabetiegel vorhanden ist und
Fortsetzen des Gießens des zweiten Metalles in den Ausgabetiegel, während die Spritzabscheidung des Metalles aus dem Ausgabetiegel fortgesetzt wird, um eine äußere Schicht aus dem zweiten Metall auf der Vorform zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall eine
Nickelbasis-Superlegierung hoher Festigkeit ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall eine
Nickelbasis-Superlegierung und das zweite Metall eine
Nickelbasis-Superlegierung ist, die eine geringe
Rißausbreitungsgeschwindigkeit hat.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall
Rene′95 ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall eine
Nickelbasis-Superlegierung hoher Festigkeit ist und das
zweite Metall Waspalloy ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall eine
Superlegierung hoher Festigkeit ist und das zweite Metall
Astralloy ist.
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