DE60109257T3 - Verbesserte Vorbereitung einer Oberfläche zum Auftragen von keramischen Beschichtungen - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf die Aufbereitung von metallischen oder intermetallischen Oberflächen, insbesondere Bindungsschichtoberflächen für das anschließende Aufbringen von keramischen Beschichtungen, insbesondere keramischen Wärmebarrierenbeschichtungen zur Verwendung bei erhöhten Temperaturen.
-
WO 0115866 -
US-Patent 4 321 310 diskutiert das Polieren von Bindungsschichten vor dem Aufbringen von keramischen Wärmebarrierenbeschichtungen. - Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren bereit, wie sie in den Ansprüchen 1 und 10 angegeben sind.
- Andere Schritte umfassen Diffusionswärmebehandlungen, reinigende Wärmebehandlungen und mechanisches Verarbeiten, z. B. Peening, kann auch verwendet werden in Verbindung mit dem fortschreitend abnehmenden Abreibeschritt.
- Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun dataillierter, lediglich beispielhaft, beschrieben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen:
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1 bis5 sind Fließdiagramme, welche die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung darstellen; -
6 ist eine Mikroskopaufnahme eines Querschnitts einer mit Kathoden-Lichtbogen aufgebrachten Bindungsschicht bei 400 X; -
7 ist eine Mikroskopaufnahme eines Querschnitts einer mit Kathoden-Lichtbogen aufgebrachten Bindungsschicht bei 400 X nach Keramik-Druck-Peening; und -
8 ist eine Mikroskopaufnahme eines Querschnitts einer mit Kathoden-Lichtbogen aufgebrachten Bindungsschicht bei 400 X nach Keramik-Druck-Peening und fortschreitend reduzierten Strahlgutstrahlen. - Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Aufbereiten metallischer oder intermetallischer Oberflächen, insbesondere Bindungsschichtoberflächen, zur Aufnahme einer darauf folgenden keramischen Beschichtung. Das Oberflächenaufbereitungsverfahren erhöht wesentlich die Adhäsion der keramischen Schicht an der Oberfläche und erhöht die Haltbarkeit der Beschichtung unter extremen Bedingungen erhöhter Temperaturen, wie sie in Gasturbinenmaschinen vorgefunden werden.
- Die keramische Beschichtung kann direkt auf bestimmte metallische Oberflächen aufgebracht werden, welche eine dichte Aluminiumoberfläche bilden, siehe z. B.
US-Patent 5 262 245 . Üblicherweise wird jedoch eine Zwischen-Bindungsschicht auf die Oberfläche aufgebracht vor dem Aufbringen der keramischen Beschichtung. - Der üblichste in der Technik bekannte Typ von Bindungsschicht ist eine MCrAlY-Bindungsschicht, wobei M gewählt ist aus der Gruppe, die aus Eisen, Nickel, Cobalt und Mischung aus Nickel und Cobalt besteht. Siehe z. B.
US-Patent 3 928 026 . - Bindungsschichten vom MCrAlY-Typ können aufgebracht werden durch Elektronenstrahldampfablagerung (electron beam vapor deposition – EBPVD), Kathoden-Lichtbogenabscheiden Plasmasprayablagerung einschließlich Niederdruck-Plasmasprayablagerung (low pressure plasma spraying – LPPS), Sputtern und Elektroablagerung. Während das Verfahren der Erfindung spezifisch entwickelt wurde für die Verbwendung mit einer Bindungsschicht, welche durch Kathoden-Lichtbogenablagerung bereitgestellt wurde, ist es nicht darauf beschränkt.
- Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer abreibenden Behandlung mit bestimmten spezifischen Merkmalen zur Entfernung eines Teil der Oberfläche, welcher die keramische Beschichtung aufnehmen soll.
- Es wird häufig gefunden, dass insbesondere in Bezug auf manche Typen von Bindungsschicht-Ablagerungsverfahren, z. B. durch Kathoden-Lichtbogen, die Oberfläche der Bindungsschicht im Zustand nach dem Auftragen Defekte hat, z. B. Poren, Haarrisse, etc. und dass die Oberfläche rau und unregelmäßig ist.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Teil der Oberfläche, welche die keramische Beschichtung aufnehmen soll, durch Abreiben bis zu einer Tiefe entfernt, welche jeglichen unregelmäßigen äußeren Bereich der Oberflächenschicht entfernt, welcher vorhanden sein könnte. Allgemein gesagt kann insgesamt bis zu 1,0 mil (0,0010 inch) entfernt werden. Üblicherweise wird für mit Kathoden-Lichtbogen abgelagerte Beschichtungen zwischen ca. 0,005 und 0,0010 inch (0,5 bis 1,0 mil) entfernt.
- Wir haben gefunden, dass das Verwenden einer relativ aggressiven anfänglichen Abreibe-Behandlung, gefolgt von mindestens einer folgenden, weniger aggressiven Abreibe-Behandlung in einer wesentlich erhöhten Haltbarkeit der anschließend aufgebrachten keramischen Schicht resultiert. Wir definieren den Grad der Aggressivität einer Abreibe-Behandlung in Abhängigkeit der Rate der Oberflächenentfernung, die Einheit an entfernter Dicke pro Zeiteinheit. Aggressivere Abreibe-Behandlungen entfernen mehr Material in einem bestimmten Zeitraum.
- Somit haben wir z. B. Strahlgutstrahlen verwendet, bei welchen Aluminiumoxidpartikel durch ein Fluid (z. B. komprimierte Luft) gegen die abzureibende Oberfläche getrieben werden. Die Aggressivität des Abreibeverfahrens kann gesteuert werden durch Steuern der Geschwindigkeit und/oder des Drucks des Fluids, welches das abreibende Medium enthält und antreibt, und/oder Steuern der Entfernung von Düse zu Substrat. Im allgemeinen erzeugen höhere Fluiddrücke/Geschwindigkeiten eine aggressivere Abreibebehandlung als geringere Fluiddrücke/Geschwindigkeiten, wie auch bei verringerten Entfernungen von Düse zu Substrat, unter der Annahme, dass andere Details des Verfahrens konstant bleiben.
- Während es, wie oben erwähnt, notwendig ist, mindestens zwei abreibende Behandlungen von abnehmender Intensität zu verwenden, ist es bevorzugt, mindestens drei abreibende Behandlungen mit abnehmender Intensität zu verwenden.
- Es zeigt sich auch, dass das gleiche Ergebnis erreicht werden kann durch Verwendung eines einzelnen Abreibe-Behandlungsschritts, bei welchem der Grad an Aggressivität des Abreibeverfahrens variiert wird und vom Start des Schritts bis zum Ende des Schritts abnimmt. Das Abnehmen kann schrittweise oder kontinuierlich oder aus Kombinationen daraus sein. Anstatt der Verwendung von beispielsweise zwei oder drei unterschiedlichen Strahlgutstrahlungsschritten unter Verwendung von fortschreitend geringerem Luftdruck ist es möglich, einen einzelnen Strahlgutstrahlarbeitsschritt zu verwenden, bei welchem der Luftdruck vom Anfang des Schritts bis zum Ende des Schritts abnimmt. Es ist auch möglich, konstante Abreibeaggressivität mit einem oder mehreren Schritten abnehmender Abreibeaggressivität zum kombinieren.
- Oxidkeramik-Abreibemittel sind bevorzugt, weil jegliche verbleibenden eingebetteten Partikel relativ stabil und ungefährlich sind. Wir bevorzugen die Verwendung von Aluminiumoxid als Abreibematerial, aber andere Abreibematerialien, einschließlich Zirkonoxid und Silica können besonders für die früheren Abreibebehandlungsschritte verwendet werden. Die Verwendung von Aluminiumoxid für den abschließenden, am wenigsten aggressiven Abreibeschritt ist stark bevorzugt.
- Es wurde gefunden, dass die Verwendung eines oder mehrerer Abreibeverfahren mit abnehmender Intensität eine relativ glattere Oberfläche erzeugt als erhalten würde, falls ein Abreibeschritt mit konstanter Intensität verwendet wird.
- Fachleute werden erkennen, dass verschiedene Faktoren die Intensität bzw. Abreibe-Rate einer gegebenen Oberfläche beeinflussen. Diese umfassen die Größe der Abreibepartikel, Zusammensetzung der Abreibepartikel, Geschwindigkeit der Abreibepartikel, der Winkel, mit welchem die Partikel auf die Oberfläche treffen und die Anzahl von Partikeln, welche mit einer Oberflächen-Flächeneinheit pro Zeiteinheit wechselwirken, und der Abstand von Düse zu Substrat.
- Fachleute sind in der Lage, diese Faktoren zu wählen und zu variieren, um eine geeignete Kombination zu erhalten, um die vorliegende Erfindung durchzuführen.
- Eine Vielzahl von Abreibeverfahren sind in der Technik bekannt, einschließlich:
- 1. Streugutstrahlen, wobei die Abreibepartikel auf eine Oberfläche getrieben werden a. durch einen strömenden Gasstrom b. durch einen strömenden Flüssigkeitsstrom c. durch zentrifugale Kräfte, welche durch eine rotierende Scheibe oder ein rotierendes Rad übertragen werden.
- 2. Vibrations-Oberflächenbehandlung, wo die abzureibenden Teile zusammen mit dem Abreibemedium (häufig mit Hinzufügen einer Flüssigkeit) in einem Behälter platziert werden und der Behälter vibriert wird, um zu bewirken, dass das Abreibemedium die Teile abreibt.
- 3. Trommel-Oberflächenbehandlung, ähnlich der vibrierenden Oberflächenbehandlung, mit der Ausnahme, dass der Behälter geschlossen ist und um eine im allgemeinen horizontale Achse rotiert, um Bewegung (Rotieren) und Abreiben zu bewirken.
- 4. Zentrifugalscheiben-Oberflächenbehandlung, bei welcher eine rotierende Scheibe Abreibemedium und -teilchen in einer stationären Kammer herumwirbelt.
- 5. Zentrifugale Trommel-Oberflächenbehandlung, welche geschlossene Kammern verwendet, welche die Teile und das Abreibemedium enthalten, welche auf einem rotierenden Spulenrad montiert sind. Die geschlossenen Kammern drehen sich gegenläufig.
- 6. Oberflächenbehandlung mit einer Spindel, bei welcher die Teile auf beweglichen Spindeln befestigt werden, welche dann in eine bewegendes Bett von Abreibemedien eingetaucht werden.
- 7. Oberflächenbehandlung durch Schleifen, bei welcher die Teile auf rotierenden Haltern befestigt werden, welche in ein Bett mit Abreibemedium eingetaucht und dadurch hindurchgezogen werden.
- All diese Techniken können potenziell in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, obwohl manche von ihnen Material miti einer derart hohen Rate entfernen könnten, dass sie unpraktisch wären.
- In praktischen Anwendungen kann die Kontamination von Hohlteilen, z. B. gekühlten Tubinenlaufschaufeln durch abgeriebene Ablagerungen oder Schlamm ein Problem darstellen. Dies legt nahe, dass Verfahren mit flüssigen Medien im allgemeinen weniger geeignet sein könnten.
-
2 zeigt die weitere Entwicklung der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine Diffusionswärmebehandlung durchgeführt wird zwischen dem Schritt des Auftragens der Bindungsbeschichtung und dem Schritt des fortschreitenden Abreibens. In der Technik ist es bekannt, Diffusionswärmebehandlungsschritte in Verbindung mit Bindungsschichten durchzuführen, um ihre Adhäsion an das Substrat zu verbessern durch Fördern von Interdiffusion zwischen der Bindungsschicht und dem Substrat. Ein solcher Diffusionswärmebehandlungsschritt scheint sehr wünschenswert zu sein bei mit Kathoden-Lichtbogen aufgebrachten Bindungsschichten, welche relativ geringe Adhärenz in dem wie aufgetragenen Zustand haben, weil sie bei relativ geringer Temperatur aufgebracht werden. Eine Diffusionswärmebehandlung ist nicht nötig, falls die Keramikschicht direkt auf ein Substrat ohne eine Bindungsschicht aufgebracht werden soll. - Ein typischer Diffusionswärmebehandlungsschritt wird durchgeführt bei einer Temperatur von 1080°C (1975°F) für eine Dauer von ca. 4 h. Temperaturen zwischen 980°C (1800°F) und ca. 1150°C (2100°F) können geführt werden für Zeiten, welche von ca. ½ h bis ca. 20 h reichen.
-
3 zeigt einen weiteren Schritt, welcher zu dem in2 gezeigten Schritt hinzugefügt wird, welcher einen Ultraschallreinigungsschritt aufweist, der nach dem Schritt des fortschreitenden Abreibens durchgeführt wird. Es wurde gefunden, dass der Schritt des fortschreitenden Abreibens feine Partikel Abreibematerial erzeugt und abgeriebenes Material erzeugt, welche durch Verwendung von Reinigungsverfahren, wie z. B. Luftstrahlen, schwierig zu entfernen sind. Ultraschallreinigen unter Verwendung einer wässrigen Lösung wurde verwendet. Reines Wasser wurde verwendet, aber es ist möglich, Benetzungsmittel zu verwenden, welche die Reinigungseffektivität verbessern, aber es muss darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass keine Reste der Ultraschallreinigungslösung mit der Adhäsion der aufzubringenden Keramikschicht interferieren. -
4 zeigt einen zu den Schritten in3 weiteren hinzugefügten Schritt, welcher aus einem Peening-Arbeitsschritt besteht, der entweder direkt nach der Diffusionswärmebehandlung und vor dem Schritt der fortschreitenden Abreibung oder, alternativ, nach dem ersten Abreibeschritt stattfindet. Peening wird verwendet, um Bindungsschichten zu verdichten durch Verschließen interner Hohlräume und Defekte. Wir bevorzugen, Keramik-Druck-Peening zu verwenden. Keramik-Druck-Peening ähnelt in macher Weise dem Strahlgutstrahlen. Eine durch Druck betriebene Strahlgutstrahlmaschine treibt Keramikpartikel in Richtung der durch Peening zu behandelnden Oberfläche. Glatt abgerundete Keramikpartikel werden verwendet, und minimale Oberflächenabtragung findet statt. Wir haben ein kommerziell erhältliches Material verwendet, welches als Zirshot bekannt ist, ein Produkt der SEPR aus Paris, Frankreich, einer Einheit der St. Gobain Corporation, wobei das Medium erhältlich ist von der SEPR aus Mountainside, N. J. Wir verwenden runde Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,046 inch. Zirshot ist eine Legierung von Zirkonoxid und Silica. - Wir bevorzugen, die Peening-Behandlung durchzuführen bis zu einer Intensität, gemessen durch das Almen-Teststreifenverfahren, von ca. 13 bis 17 N, insbesondere 14 bis 16 N. Keramik-Druck-Peening wird bevorzugt, weil entdeckt wurde, dass es delikate Teile nicht bis zu dem Ausmaß beschädigt, wie es andere Peening-Verfahren tun, jedoch kann allgemein gesagt jedes Peening-Verfahren verwendet werden, welches die erforderliche Almen-Intensität bietet, ohne das Teil zu beschädigen oder die Oberfläche des Teils zu kontaminieren.
-
5 zeigt einen weiteren Schritt der zu dem in4 gezeigten Schritt hinzugefügt wird, eine Wärmebehandlung, welche nach irgendeinem Peening-Arbeitsschritt, aber vor dem Ultraschallreinigen, durchgeführt wird. Diese Wärmebehandlung wird verwendet, um jegliche organische Reste oder Kontaminationen zu entfernen, z. B. solche, welche durch Fingerabdrücke oder Öldämpfe in der Umgebungsluft hinterlassen werden. Eine Wärmebehandlung bei ca. 705°C (1300°F) für ca. ½ h, aber Temperaturen zwischen ca. 540°C (1000°F) und 815°C (1500°F) für Zeiten zwischen ca. ½ h und 4 h sind geeignet. - Wir bevorzugen, dass sämtliches Manipulieren der Teile nach der organischen Wärmebehandlung durchgeführt wird durch Personal, welches Stoff- oder Kunststoffhandschuhe trägt, um die Möglichkeit der folgenden organischen Verschmutzung zu verhindern.
- Nachdem die Oberfläche aufbereitet ist, kann die Keramikschicht durch EBPVD, Sputtern oder thermische Sprühtechniken aufgebracht werden.
- Beispiel 1
- 12 Gasturbinenschaufeln mit einer Nominalzusammensetzung von (gewichtsmäßig) 5% Cr, 10% Co, 2% Mo, 6% W, 3,1% Re, 5,6% Al, 9% Ta, 0,1% Hf, Rest im wesentlichen Nickel, wurden mit einem MCrAlY beschichtet mit einer Nominalzusammensetzung von (gewichtsmäßig) 22% Co, 17% Cr, 12,5% Al, 0,25% Hf, 0,4% Si, 0,6% Y, Rest im wesentlichen Nickel, unter Verwendung eines Kathoden-Lichtbogen-Beschichtungsverfahrens. Die nominale Beschichtungsdicke war 4 mil.
6 zeigt eine Mikroskopaufnahme des Querschnitts (bei 400 X) der Beschichtung im aufgebrachten Zustand. Die raue Oberfläche ist leicht zu erkennen und hat eine gemessene Rauigkeit von ca. 195 Microinch R. A.. - Die Schaufeln im Zustand nach dem Beschichten wurden behandelt durch Keramik-Druck-Peening, unter Verwendung von Zirshot-Keramikkugeln, 0,046 Inch Durchmesser, sie wurden aufgebracht unter Verwendung eines druckbetriebenen Peening-Geräts, welches bei einem konstanten Luftdruck von 30 psi für 5 min betrieben wurde.
7 ist eine Mikroskopaufnahme, welches die Oberfläche nach dem Keramik-Druck-Peening zeigt. Eine wesentliche Verbesserung des Oberflächenzustands ist sichtbar, die gemessene Oberflächenrauigkeit nach Peening war ca. 135 Mikroinch R. A.. - Auf die durch Druck-Peening behandelten Teile wurde dann durch EBPVD eine säulenartige keramische Schicht aufgetragen. Die Keramikschichtzusammensetzung wurde Zirkonoxid-stabilisiert mit 7 Gew.-% Yttriumoxid. Die Keramikschichtdicke war ca. 5 mil.
- Die Keramik-beschichteten Teile wurden in einem zyklischen thermischen Test (bei 1150°C (2100°F)) getestet, welcher den Maschinenbetrieb simuliert.
- Die durchschnittliche Zeit bis zum Versagen der Beschichtung (definiert als ca. 50% Absplitterung der Keramikbeschichtung) wurde bestimmt.
- Beispiel 2
- 6 Turbinenschaufeln der gleichen Zusammensetzung wie die in Beispiel 1 beschriebene. Die 6 Schaufeln wurden beschichtet mit der gleichen MCrAlY-Zusammensetzung mit der gleichen Dicke unter Verwendung des gleichen Kathoden-Geräts.
- Keramik-Druck-Peening wurde gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt unter Verwendung des gleichen Druck-Peening-Geräts und Peening-Mediums wie dem in Beispiel 1 verwendeten.
- Die 6 Teile wurden dann wie folgt durch Strahlgutstrahlen behandelt: 2 min bei 75 psi, 2 min bei 55 psi und 1 min bei 35 psi unter Verwendung von Aluminiumoxidstrahlgut mit 24 mesh. Nach diesem fortschreitend reduziert aggressiven Verarbeiten war die gemessene Oberflächenrauigkeit 69 Mikroinch R. A..
- Nach dem Strahlgutstrahlen mit fortschreitend verringerter Intensität wurden die Teile beschichtet mit der gleichen durch EBPVD aufgetragenen Keramikschicht, die in Beispiel 1 verwendet wurde, mit der gleichen Dicke.
8 zeigt einen Querschnitt der aufgetragenen Keramikschicht. - Die 6 Teile wurden getestet unter Verwendung des gleichen zyklischen Tests bei 1150°C (2100°F), welcher in Beispiel 1 verwendet wurde.
- Die gemäß der vorliegenden Erfindung bearbeitete Probe zeigte eine 87%ige Verbesserung der zyklischen Lebensdauer.
Claims (14)
- Verfahren zum Aufbereiten einer Turbinen-Laufschaufel zum Aufnehmen einer keramischen Beschichtung, wobei die Oberfläche der Turbinen-Laufschaufel eine Bindungsschicht hat, und wobei das Verfahren aufweist: Entfernen von Material von der Bindungsschicht-Oberfläche mit einer fortschreitend abnehmenden Rate durch Verwendung eines Abreibeverfahrens mit abnehmender Intensität; wobei das Abreibeverfahren Strahlgutstrahlen aufweist, und wobei die Intensität durch Regulieren der Geschwindigkeit und/oder des Drucks des Fluids, welches das abreibende Medium enthält und antreibt, und/oder durch Regulieren der Entfernung von Düse zu Substrat reguliert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Material durch Abreiben entfernt wird und welches mindestens zwei Abreibeschritte aufweist und bei welchem der erste Schritt Material mit einer Rate entfernt, welche mindestens das Doppelte der Rate des letzten Abreibeschritts ist.
- Verfahren nach Anspruch 2, welches mindestens drei Abreibeschritte mit fortschreitend abnehmender Intensität aufweist.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Abreiben bewirkt wird durch Oxidkeramik-Abreibepartikel.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Bindungsschicht eine MCrAlY-Beschichtung ist.
- Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Bindungsschicht aufgebracht wurde durch ein Verfahren, welches gewählt ist aus der Gruppe, die aus EBPVD, Kathoden-Lichtbogenabscheiden, Plasmaspray-Abscheiden, Elektroplattierung und Sputtern besteht.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine Diffusionswärmebehandlung durchgeführt wird vor dem Schritt der Entfernung von Material mit fortschreitend abnehmender Rate.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Ultraschall-Reinigungsschritt durchgeführt wird nach dem Schritt des Entfernens von Material mit fortschreitend abnehmender Rate.
- Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem ein Oberflächen-Peening-Arbeitsschritt nach dem Diffusionswärmebehandlungsschritt durchgeführt wird.
- Verfahren zum Aufbringen einer keramischen Wärmebarrierenbeschichtung auf ein metallisches Substrat, aufweisend die folgenden Schritte: a) Aufbringen einer MCrAlY-Bindungsschicht auf das Substrat unter Verwendung eines Kathoden-Lichtbogenablagerungsprozesses b) Diffusionswärmebehandlung des beschichteten Substrats c) Peening des diffusionswärmebehandelten, beschichteten Substrats d) abreibendes Entfernen von Material von der Bindungsschicht mit einer fortschreitend abnehmenden Rate e) Ultraschall-Reinigen der Abreibe-behandelten Bindungsschicht f) Aufbringen einer keramischen Schicht.
- Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Schritt des abreibenden Entfernens durchgeführt wird unter Verwendung von Oxidkeramik-Abreibematerialien.
- Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem der Schritt des abreibenden Entfernens bei einer anfänglichen Rate stattfindet, welche mindestens zweimal so groß ist wie die Entfernungsrate am Ende des Abreibe-Entfernungsschritts.
- Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei welchem das Peening durchgeführt wird mit einer Intensität von 13 bis 17 N auf der Almen-Skala.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welchen die Diffusionswärmebehandlung durchgeführt wird bei einer Temperatur von ca. 980°C (1800°F) bis ca. 1150°C (2100°F) für eine Zeit von ca. 0,5 bis ca. 10 h.
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