FR2930783A1 - Objet possedant un revetement protecteur et procede d'application de revetement protecteur. - Google Patents

Objet possedant un revetement protecteur et procede d'application de revetement protecteur. Download PDF

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Abstract

L'objet comprend un substrat (18) ayant une première surface (22), une pluralité d'éléments (20a) s'étendant depuis la première surface (22) et un revêtement protecteur (24a) disposé entre au moins certains éléments de la pluralité d'éléments (20a), sur au moins une partie de la pluralité d'éléments (20a), ou les deux. La pluralité d'éléments (20a) fait partie intégrante du substrat (18). Un procédé d'application d'un revêtement protecteur (24a) sur un objet est également fourni.

Description

B09-1462FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Objet possédant un revêtement protecteur et procédé d'application de revêtement protecteur Invention de : CALLA Eklavya Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 2 mai 2008 sous le n° 12/114.411 Objet possédant un revêtement protecteur et procédé d'application de revêtement protecteur
Cette description concerne de façon générale des objets possédant un revêtement protecteur. Dans diverses applications, telles que des applications de profil d'aubes ou d'ailettes de turbines, on peut utiliser des métaux, des céramiques et/ou des composites de céramique pour fournir un revêtement protecteur sur un substrat, par exemple pour l'isolation. De tels matériaux peuvent toutefois présenter une faible adhérence sur des matériaux particuliers, tels que certains matériaux métalliques, ce qui peut conduire à une spallation et/ou une défaillance. De plus, les matériaux en céramique et/ou composites de céramique peuvent présenter un défaut en raison de la formation de fissures et de la propagation conséquente des fissures due à la fragilité des matériaux. Il existe en conséquence un besoin pour des procédés améliorés pour fournir un revêtement protecteur tel qu'un métal ou une isolation céramique sur un substrat nécessitant une telle protection. Cette description fournit un objet comprenant un substrat ayant une première surface, une pluralité d'éléments s'étendant depuis la première surface et un revêtement protecteur disposé entre au moins certains éléments de la pluralité d'éléments, sur au moins une partie de la pluralité d'éléments, ou les deux. La pluralité d'éléments fait partie intégrante du substrat.
Cette description fournit également un procédé d'application d'un revêtement protecteur sur un objet comprenant un substrat ayant une première surface. Le procédé comprend la fourniture d'une pluralité d'éléments s'étendant depuis la première surface et la disposition d'un revêtement protecteur entre au moins certains éléments de la pluralité d'éléments, sur au moins une partie de la pluralité d'éléments, ou les deux. La pluralité d'éléments fait partie intégrante du substrat.
D'autres objectifs, caractéristiques et avantages de cette invention apparaîtront d'après la description détaillée qui suit, les dessins et les revendications : - la figure 1 est une vue de face d'un profil d'aube de turbine comprenant une pluralité d'éléments, réalisée selon un mode de réalisation de la présente description ; - les figures 2A et 2B sont des vues en coupe transversale de parties de profil d'aube de turbine comprenant une pluralité d'éléments sur une première surface et un revêtement protecteur disposé sur la pluralité d'éléments et entre ceux-ci, réalisé selon des modes de réalisation de la présente description ; - la figure 3 illustre un procédé d'application d'un revêtement protecteur sur un objet selon un mode de réalisation de la présente description.
Comme résumé ci-dessus, cette description englobe un objet et un procédé d'application d'un revêtement protecteur sur un objet. Des modes de réalisation de l'objet et des modes de réalisation du procédé d'application d'un revêtement protecteur sur l'objet sont décrits ci-dessous et sont illustrés sur les figures 1 à 3. Bien que les figures 1 à 3 soient illustrées et décrites en référence à des modes de réalisation d'un profil d'aube de turbine, on comprendra qu'on peut de la même façon utiliser un objet quelconque (par exemple, un profil d'aube fixe de turbine ou un quelconque objet utilisé dans un environnement à haute température) comportant un substrat nécessitant un revêtement protecteur ou le réaliser au moyen d'autres modes de réalisation de la présente description. La figure 1 illustre un profil d'aube de turbine 10 incluant un substrat 12 ayant une première surface. Une pluralité d'éléments 14 s'étendent à partir de la première surface. Dans certains modes de réalisation, le substrat 12 peut comprendre un alliage (par exemple, un superalliage) ou un métal. Des matériaux convenables pour être utilisés dans des modes de réalisation du substrat 12 comportent, mais sans y être limités, le tungstène, le tantale, le carbone ou des combinaisons de ceux-ci. On comprendra toutefois qu'un homme de l'art est capable de choisir le substrat approprié pour l'application désirée. Comme illustré sur la figure 1, la pluralité d'éléments 14 comprend une pluralité de blocs s'étendant à partir du substrat 12. La pluralité d'éléments 14 fait partie intégrante du substrat 12 et ils comprennent le même matériau que le substrat. Dans certains modes de réalisation, la pluralité d'éléments 14 peut comprendre un composite ayant un gradient de matériau dans une direction sensiblement perpendiculaire à la première surface (c'est-à-dire qu'ils sont progressifs). La pluralité d'éléments 14 peut comprendre par exemple un composite métallique, où le contenu d'un premier métal par rapport à la composition du reste du composite dans la pluralité d'éléments augmente progressivement en s'éloignant du substrat 12 ou inversement (c'est-à-dire que la quantité du premier métal varie dans une direction sensiblement perpendiculaire à la première surface). Dans cet exemple, le substrat 12 peut comprendre le même métal que le composite métallique de la pluralité d'éléments 14 et le composite métallique peut additionnellement comprendre un deuxième métal ou un composant non métallique dans le reste du composite.
Tel qu'il est ici utilisé, le terme élément (ou segment ) se réfère à une structure quelconque s'étendant à partir du substrat, s'éloignant au moins en partie de la première surface du substrat. Dans d'autres modes de réalisation, la pluralité d'éléments 14 peuvent être pointus, plans ou d'une quelconque autre forme convenable pour constituer un point d'ancrage pour un revêtement protecteur destiné à être lié. Dans des modes de réalisation particuliers, une forme d'élément plane ou arrondie peut procurer une plus grande aire de surface pour le revêtement protecteur à appliquer. Dans d'autres modes de réalisation, chaque élément de la pluralité d'éléments 14 peut avoir une forme choisie dans le groupe constitué d'un cube, un cylindre, un hémisphère, une sphère, un cône, une pyramide et une quelconque autre forme tridimensionnelle ayant une section transversale polygonale ou incurvée. Dans certains modes de réalisation, au moins un élément de la pluralité d'éléments 14 peut avoir une forme différente du reste de la pluralité d'éléments. On comprendra toutefois qu'un homme de l'art est capable de choisir les formes appropriées de la pluralité d'éléments 14 pour l'application désirée. On peut par exemple conformer le profil de chaque élément de la pluralité d'éléments 14 de façon à correspondre au profil de la première surface du substrat 12. Tel qu'il est ici utilisé, le terme taille d'élément se réfère à une dimension quelconque des éléments pouvant être utilisée pour indiquer la caractéristique la plus grande de chaque élément. Par exemple, la taille d'élément peut se référer à la longueur d'un côté d'un élément en forme de bloc. Dans un autre exemple, la taille d'élément peut se référer au diamètre d'un élément hémisphérique ou cylindrique. Dans certains modes de réalisation, au moins un élément de la pluralité d'éléments 14 a une taille d'élément d'environ 0,1 cm à environ 25 cm.
Dans d'autres modes de réalisation, au moins un élément de la pluralité d'éléments 14 a une taille d'élément d'environ 0,2 cm à environ 8 cm. Dans encore d'autres modes de réalisation, l'au moins un élément de la pluralité d'éléments 14 a une taille d'élément d'environ 0,5 cm à environ 5 cm.
Dans certains modes de réalisation, au moins un élément de la pluralité d'éléments 14 a une hauteur d'élément d'environ 1 m à environ 50 000 m. Dans d'autres modes de réalisation, au moins un élément de la pluralité d'éléments 14 a une hauteur d'élément d'environ 2 m à environ 25 000 m. Dans encore d'autres modes de réalisation, au moins un élément de la pluralité d'éléments 14 a une hauteur d'élément d'environ 2 m à environ 20 000 m. Tel qu'il est ici utilisé, le terme hauteur se réfère à la distance mesurée sur un chemin sensiblement perpendiculaire à la première surface depuis la première surface jusqu'à une partie de l'élément le plus éloigné de la première surface. On comprendra qu'un homme de l'art peut choisir une forme et une taille appropriées quelconques pour la pluralité d'éléments 14 en se basant sur la conception du profil d'aube de turbine 10 et sur le revêtement protecteur à utiliser.
La figure 2A est une vue en coupe transversale d'une partie d'un profil d'aube de turbine 16 comportant un substrat 18. Le substrat 18 comprend une pluralité d'éléments 20a sur une première surface 22 et un revêtement protecteur 24a disposé sur la pluralité d'éléments et entre ceux-ci. Le substrat 18 et la pluralité d'éléments 20a peuvent être similaires au substrat 12 et à la pluralité d'éléments 14 décrits ci-dessus. La pluralité d'éléments 20a a une hauteur d'élément H. La figure 2B illustre un autre mode de réalisation d'une partie de profil d'aube de turbine 16, où la pluralité d'éléments 20b a une forme différente. Les éléments semblables des figures 2A et 2B sont numérotés avec les mêmes nombres. Comme illustré sur les figures 2A et 2B, le revêtement protecteur 24a, 24b est disposé à la fois entre les éléments de la pluralité d'éléments 20a, 20b et au-dessus de ceux-ci. Ainsi, l'extérieur du profil d'aube de turbine 16 peut apparaître comme étant constitué du revêtement protecteur 24a, 24b ou comporter un manchon de revêtement protecteur couvrant son substrat 18 tel que la pluralité d'éléments 20a, 20b n'est pas visible ou facilement discernable. Dans d'autres modes de réalisation (non représentés), le revêtement protecteur 24a, 24b peut avoir sensiblement le même contour de surface que celui de la première surface 22 comportant la pluralité d'éléments 20a, 20b (par exemple, lorsque le revêtement protecteur est déposé en phase vapeur sur la première surface et la pluralité d'éléments). Dans d'autres modes de réalisation, on peut disposer le revêtement protecteur 24a, 24b entre au moins certains éléments de la pluralité d'éléments 20a, 20b. Dans d'autres modes de réalisation, on peut disposer le revêtement protecteur 24a, 24b sur au moins une partie de la pluralité d'éléments 20a, 20b. Dans certains modes de réalisation, la couche de revêtement protecteur 24a, 24b peut recouvrir l'ensemble de la pluralité d'éléments 20a, 20b pour constituer une isolation sur le substrat 18. Des modes de réalisation du revêtement protecteur 24a, 24b peuvent comprendre une céramique, un composite de céramique, un composite de céramique-métal (par exemple, cermet), un alliage (par exemple, un superalliage), un métal ou un quelconque autre matériau qui améliore la propriété d'isolation ou une quelconque autre propriété améliorant le fonctionnement ou prolongeant la durée de vie du profil d'aube de turbine 16. Des matériaux convenables à utiliser dans les modes de réalisation du revêtement protecteur 24a, 24b comportent, mais sans y être limités, la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium, l'alumine, le phosphate d'aluminium, l'aluminosilicate, la mullite, NiCrAlY, MCrAlD, ou des combinaisons de ceux-ci. Les modes de réalisation en MCrAlD sont tels que l'on peut choisir M dans le groupe constitué du nickel, du cobalt et du fer, Cr est du chrome, Al est de l'aluminium et on peut choisir D dans le groupe constitué de l'yttrium, du silicium, du zirconium, du tantale, du hafnium-titane, du bore, du carbone et de combinaisons de ceux-ci. Comme illustré sur les figures 2A et 2B, le revêtement protecteur 24a, 24b comprend une couche de revêtement. Dans d'autres modes de réalisation, le revêtement protecteur 24a, 24b peut comprendre plus d'une couche de revêtement. Le revêtement protecteur 24a, 24b peut par exemple comprendre une première couche de revêtement comprenant un matériau d'isolation thermique et une deuxième couche de revêtement comprenant un matériau résistant à l'usure. Dans un mode de réalisation, le matériau d'isolation thermique comprend de la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium. Dans d'autres modes de réalisation, le matériau résistant à l'usure comprend de l'alumine.
Dans d'autres modes de réalisation, le revêtement protecteur 24a, 24b peut comprendre un composite ayant un gradient de matériau dans une direction sensiblement perpendiculaire à la première surface (c'est-à-dire qu'il est progressif). Le revêtement protecteur 24a, 24b peut par exemple comprendre un composite de céramique-métal, le contenu en métal du revêtement protecteur augmentant progressivement en s'éloignant du substrat 18 ou inversement. Dans cet exemple, le substrat 18 peut comprendre le même métal que celui du composite de céramique-métal.
Dans des modes de réalisation particuliers, le revêtement protecteur peut comprendre des couches multiples. Le revêtement protecteur peut par exemple comprendre une couche métallique sur la pluralité d'éléments et entre ceux-ci et une couche de céramique sur la couche métallique, la couche métallique pouvant jouer le rôle de revêtement de liaison ou de revêtement de protection contre la corrosion. Dans certains modes de réalisation, la couche la plus extérieure (c'est-à-dire la couche la plus distale de la première surface) du revêtement protecteur peut comprendre une céramique ou du cermet pour utiliser l'objet à des températures de 1200°C et plus. Dans certains modes de réalisation, on peut utiliser le profil d'aube de turbine 16 comportant le revêtement protecteur 24a, 24b à des températures d'allumage comprises entre environ 1100°C et environ 1800°C. Dans d'autres modes de réalisation, on peut utiliser le profil d'aube de turbine 16 comportant le revêtement protecteur 24a, 24b avec des températures d'allumage comprises entre environ 1200°C et environ 1800°C. Dans encore d'autres modes de réalisation, on peut utiliser le profil d'aube de turbine 16 comportant le revêtement protecteur 24a, 24b avec des températures d'allumage comprises entre environ 1250°C et environ 1650°C. Dans d'autres modes de réalisation (non représentés), le profil d'aube de turbine peut en outre comprendre un revêtement de liaison disposé de manière adjacente au revêtement protecteur et au moins une partie de la pluralité d'éléments et entre ceux-ci. Dans certains modes de réalisation, le revêtement de liaison comprend du MCrAlD, dans lequel M est choisi dans le groupe constitué du nickel, du cobalt et du fer, Cr est du chrome, Al est de l'aluminium et D est choisi dans le groupe constitué de l'yttrium, du silicium, du zirconium, du tantale, du hafnium-titane, du bore, du carbone et de combinaisons de ceux-ci.
Dans certains modes de réalisation, le revêtement de liaison peut avoir une épaisseur comprise entre environ 1 m et environ 1500 m. Dans d'autres modes de réalisation, le revêtement de liaison peut avoir une épaisseur comprise entre environ 10 m et environ 500 m. Dans encore d'autres modes de réalisation, le revêtement de liaison peut avoir une épaisseur comprise entre environ 25 m et environ 250 m. Dans un mode de réalisation, le profil d'aube de turbine 16 peut comprendre un revêtement de liaison de NiCrAlY ayant une épaisseur d'environ 100 m et un revêtement protecteur progressif. Le revêtement protecteur comporte une première couche de revêtement disposée au-dessus du revêtement de liaison comprenant 10% en poids de céramique et 90% en poids de NiCrAlY, une deuxième couche de revêtement comprenant 25% en poids de céramique et 75% en poids de NiCrAlY, une troisième couche de revêtement de 50% en poids de céramique et de 50% en poids de NiCrAlY, une quatrième couche de revêtement de 75% en poids de céramique et de 25% en poids de NiCrAlY et une cinquième couche de revêtement de 100% en poids de céramique.
La figure 3 illustre un procédé d'application de revêtement protecteur sur un objet comprenant un substrat et une première surface. L'objet, le substrat et le revêtement protecteur peuvent être similaires aux objets, substrats et revêtements protecteurs décrits ci-dessus.
Dans la première étape 30, une pluralité d'éléments s'étendant depuis la première surface sont fournis. La pluralité d'éléments fait partie intégrante du substrat. Des techniques convenables pour fournir la pluralité d'éléments comportent, mais sans y être limitées, le coulage du substrat avec la pluralité d'éléments (c'est-à-dire, la formation de la pluralité d'éléments durant la formation du substrat de l'objet). La deuxième étape 32 comprend la disposition d'un revêtement protecteur entre au moins certains éléments de la pluralité d'éléments, sur au moins une partie de la pluralité d'éléments, ou les deux. À l'étape 32, l'étape de disposition comprend le coulage en barbotine/boue/bande d'un revêtement protecteur en céramique. À l'étape 32a on prépare une boue de céramique. À l'étape 32b, on verse/coule le revêtement protecteur en céramique sur la pluralité d'éléments. À l'étape 32c, on fait durcir/sécher le revêtement protecteur en céramique. À l'étape 32d, on peut enlever un liant en céramique s'il est présent. À l'étape 32c, on fritte le revêtement protecteur en céramique à une température comprise entre environ 800°C et environ 1800°C. Dans d'autres modes de réalisation, on peut fritter le revêtement protecteur en céramique à une température comprise entre environ 1000°C et environ 1700°C ou à une température comprise entre environ 1100°C et environ 1650°C. À l'étape 32f, on réalise le fini du revêtement protecteur en céramique, par exemple par nettoyage, polissage ou les deux.
D'autres techniques convenables pour disposer le revêtement protecteur comportent, mais sans y être limitées, la pulvérisation thermique, la projection au plasma, la projection au plasma sous vide, la projection à la flamme, la pulvérisation à grande vitesse, la projection dynamique par gaz froid, le dépôt laser, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons (EBPVD), l'emboutissage à froid, le frittage, le pressage isostatique à chaud, le traitement sol-gel, la métallisation, des combinaisons de ceux-ci ou un quelconque autre procédé convenable pour déposer le matériau de revêtement protecteur.
L'étape de disposition 32 peut comprendre par exemple un EBPVD suivi d'une projection au plasma d'une autre couche de revêtement au-dessus de la couche de revêtement d'EBPVD. Des exemples d'étapes de métallisation convenables pour être utilisées dans les modes de réalisation de l'étape 32 comportent, mais sans y être limitées, la chromisation, l'aluminisation ou des combinaisons de celles-ci. Dans un autre mode de réalisation, on peut appliquer une première couche de revêtement ayant une épaisseur comprise entre 5 m et environ 500 m par projection au plasma ou EBPVD pour fournir une sous-couche et une certaine quantité d'isolation et/ou de protection contre l'usure et l'érosion avant d'utiliser un ou plusieurs des procédés décrits ci-dessus pour disposer une deuxième couche de revêtement sur la première couche de revêtement. Une étape facultative (non représentée) peut comprendre la disposition d'un revêtement de liaison disposé de manière adjacente au revêtement protecteur et au moins une partie de la pluralité d'éléments et entre ceux-ci. Le revêtement de liaison peut être similaire au revêtement de liaison décrit ci-dessus. Des techniques convenables pour disposer le revêtement de liaison comportent, mais sans y être limitées, le coulage, la pulvérisation thermique, la projection au plasma, la projection au plasma sous vide, la projection à la flamme, la pulvérisation à grande vitesse, le dépôt laser, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons, la métallisation, des combinaisons de ceux-ci et ou un quelconque autre procédé convenable pour déposer le matériau du revêtement de liaison. Des exemples d'autres procédés convenables pour disposer un revêtement de liaison peuvent se trouver dans le brevet U.S. détenu en commun n° 6 497 758.
Sans être limité par la théorie, on estime que les modes de réalisation de la pluralité d'éléments fournissent des points d'ancrage qui améliorent la solidité du revêtement protecteur. De plus, la pluralité d'éléments améliore l'adhérence du revêtement protecteur sur la première surface du substrat. On peut par exemple améliorer l'adhérence de céramiques et/ou de composites de céramique sur des substrats en superalliage en utilisant les modes de réalisation de la pluralité d'éléments ici décrits. De plus, l'utilisation de modes de réalisation de la pluralité d'éléments peu atténuer la tendance à la fissuration du revêtement protecteur et arrêter ou atténuer la croissance de quelconques fissures pouvant se créer dans le revêtement protecteur. Ainsi, une défaillance et/ou une spallation peut être localisée dans une petite région, ce qui a pour conséquence une plus longue durée de vie de l'objet, une meilleure prédiction de la durée de vie de l'objet, probablement des températures d'allumage supérieures, un rendement amélioré et un meilleur objet global. De plus, les objets fabriqués selon les procédés de la présente description peuvent être plus faciles à réparer lorsqu'un ou plusieurs éléments ou parties de revêtement sur les éléments ou entre ceux-ci sont endommagés, car le dommage est localisé.
OBJET POSSÉDANT UN REVÊTEMENT PROTECTEUR ET PROCÉDÉ D'APPLICATION DE REVÊTEMENT PROTECTEUR Liste des éléments Profil d'aube de turbine 12 Substrat 14 Pluralité d'éléments 10 16 Partie de profil d'aube de turbine 18 Substrat 22 Première surfaces 20a Pluralité d'éléments 20b Pluralité d'éléments 24a Revêtement protecteur 24b Revêtement protecteur

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Objet (10) comprenant : un substrat (12, 18) ayant une première surface (22) ; une pluralité d'éléments (14, 20a, 20b) s'étendant depuis la première surface (22), la pluralité d'éléments (14, 20a, 20b) faisant partie intégrante du substrat (12, 18) ; et un revêtement protecteur (24a, 24b) disposé entre au moins certains éléments de la pluralité d'éléments (14, 20a, 20b), sur au moins une partie de la pluralité d'éléments (14, 20a, 20b), ou les deux.
  2. 2. Objet (10) selon la revendication 1, dans lequel le substrat (12, 18) comprend un alliage ou un métal.
  3. 3. Objet (10) selon la revendication 1, dans lequel le revêtement protecteur (24a, 24b) comprend une céramique, un composite de céramique, un composite de céramique-métal, un alliage ou un métal.
  4. 4. Objet (10) selon la revendication 1, dans lequel le revêtement protecteur (24a, 24b) comprend de la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium, de l'alumine, du phosphate d'aluminium, de l'aluminosilicate, du NiCrAlY ou de la mullite.
  5. 5. Objet (10) selon la revendication 1, dans lequel le revêtement protecteur (24a, 24b) comprend une première couche de revêtement et une deuxième couche de revêtement.
  6. 6. Objet (10) selon la revendication 1, dans lequel le revêtement protecteur (24a, 24b) comprend un composite ayant un gradient de matériau dans une direction sensiblement perpendiculaire à la première surface (22).
  7. 7. Objet (10) selon la revendication 1, dans lequel l'objet (10) comprend un profil d'aube de turbine ou un profil d'ailette de turbine.
  8. 8. Procédé d'application d'un revêtement protecteur (24a, 24b) sur un objet (10) comprenant un substrat (12, 18) ayant une première surface (22), le procédé comprenant :la fourniture d'une pluralité d'éléments (14, 20a, 20b) s'étendant depuis la première surface (22), la pluralité d'éléments (14, 20a, 20b) faisant partie intégrante du substrat (12, 18) ; et la disposition d'un revêtement protecteur (24a, 24b) entre au moins certains éléments de la pluralité d'éléments (14, 20a, 20b), sur au moins une partie de la pluralité d'éléments (14, 20a, 20b), ou les deux.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'étape de fourniture comprend le coulage de l'objet (10) comprenant le substrat (12, 18) ayant la première surface (22) avec une pluralité d'éléments (14, 20a, 20b) faisant partie intégrante du substrat (12, 18).
  10. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'étape de disposition comprend le coulage, la pulvérisation thermique, la projection au plasma, la projection au plasma sous vide, la projection à la flamme, la pulvérisation à grande vitesse, le dépôt laser, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons, la métallisation, le pressage à froid, le frittage, le pressage isostatique à chaud, le traitement sol-gel ou des combinaisons de ceux-ci.
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