JP2003239059A - アブレイダブルコーティング及びその作製方法 - Google Patents

アブレイダブルコーティング及びその作製方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン等の回転機械における静止部の
表面に施され、動翼を損傷等することがないアブレイダ
ブルコーティング及びその作製方法を提供する。 【解決手段】 シュラウド材に部分安定化ジルコニアセ
ラミックスをコーティングすることにより、立方晶又は
正方晶の結晶構造を有するジルコニアセラミックス層を
前記シュラウド材の表面に形成するステップと、このジ
ルコニアセラミックス層を形成したシュラウド材に、10
0℃〜450℃の温度で1時間〜300時間の間、高温熱水処理
を施すことにより、前記ジルコニアセラミックス層の結
晶構造を単斜晶に変態させるステップとを含むアブレダ
ブルコーティングの作製方法である。また、前記高温熱
水処理に代えてショットピーニングを用いることもでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン等の
回転機械における静止部の表面に施されるアブレイダブ
ルコーティング及びその作製方法に関し、更に詳しく
は、ガスタービンのシュラウドに施される、被切削性に
優れたアブレイダブルコーティング及びその作製方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】通常、ガスタービン101は、図3に示
すように、図示しないケーシングに配設された静止側の
シュラウド103と、該シュラウド103の内方に設け
られ、矢印で示す回転方向rに回転軸Cを中心に回転可
能な動翼105とを備えている。また、これらの動翼1
05の外周縁105aとシュラウド103の内周面10
3aとの間には、微小な隙間(クリアランス)Dが設け
られている。この隙間Dからの高温ガス(例えば、1,
500℃程度の高温ガス)107の漏洩を抑制してガス
タービン101の性能を向上させるため、前記隙間Dを
極力小さくすることが望ましい。しかし、隙間Dを小さ
くしすぎると、動翼105が回転する際に動翼105の
先端がシュラウド103の内周面103aに接触し、動
翼105が損傷等を起すおそれがある。
【0003】このため、従来から、前記シュラウド10
3の内周面103aに、被切削性を有するアブレイダブ
ルコーティング111を施しており、たとえ動翼105
の先端がシュラウド103の内周面103aに接触して
も、前記アブレイダブルコーティング111が切削さ
れ、回転側の動翼105が損傷等することがないように
動翼105を保護している。
【0004】ここで、従来から用いられている前記アブ
レイダブルコーティング111は、主に、ZrO2-8wt%Y2O
3等の部分安定化ジルコニアセラミックスからなるコー
ティングである。このセラミックスは、常温でビッカー
ス硬さがHv = 約1000と硬いため、実際には、逆に、回
転側の動翼105の先端を損傷するおそれがあった。そ
のため、動翼105の外周縁105aの表面に、シュラ
ウド103のアブレイダブルコーティング111よりも
更に硬いアブレッシブコーティング113を施してい
る。一方、前記アブレイダブルコーティング111をヘ
リコプターや航空機等に用いられるガスタービンエンジ
ンに適用すると、飛行中に砂塵等を巻き込んだ場合に、
ブレードやシュラウドが摩耗するおそれがあった。この
ように、従来のアブレイダブルコーティング111で
は、ガスタービンに適用した場合に、動翼105の先端
が損傷するおそれが必ずしも完全に消失せず、ヘリコプ
ターや航空機等のガスタービンエンジンに適用した場合
には、ブレードやシュラウドが摩耗するおそれがある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記課題を
解決し、ガスタービン等の回転機械における静止部の表
面に施され、試運転時において動翼を損傷等することが
なく、かつ、通常運転時においては耐摩耗性に優れた、
アブレイダブルコーティング及びその作製方法を提供す
ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するため、シュラウド材に部分安定化ジルコニアセラ
ミックスをコーティングすることにより、立方晶又は正
方晶の結晶構造を有するジルコニアセラミックス層を前
記シュラウド材の表面に形成するステップと、このジル
コニアセラミックス層を形成したシュラウド材に、100
℃〜450℃の温度で1時間〜300時間の間、高温熱水処理
を施すことにより、前記ジルコニアセラミックス層の結
晶構造を単斜晶に変態させるステップとを含むアブレイ
ダブルコーティングの作製方法である。
【0007】通常、ジルコニアセラミックスは、立方晶
又は正方晶の結晶構造を有しており、ビッカース硬さが
Hv= 1000前後と硬い材料である。このジルコニアセラミ
ックスを高温熱水中で熱処理すると、ジルコニアセラミ
ックスに蒸気による高い圧力が負荷されることにより応
力誘起マルテンサイト変態が起こり、結晶構造が単斜晶
へと変化する。この単斜晶のジルコニアセラミックス
は、ビッカース硬さがHv=約800以下と軟らかく、被切削
性が良好である。従って、高温環境で使用されるガスタ
ービンのシュラウドに適用すると、試運転の初回運転時
において動翼とシュラウドとのチップクリアランスを調
整する時点では、軟らかく、優れた被切削性を示す。そ
して、初回運転時にガスタービン運転による高温(例え
ば1,000℃以上)の熱履歴を受けると、結晶構造が
立方晶又は正方晶に変態するため、2回目以降の運転時
においては、硬さを増して耐摩耗性を維持することがで
きる。
【0008】ここで、高温熱水処理には、例えば、オー
トクレーブを用いることができる。高温水の温度は100
℃〜450℃、好ましくは、150℃〜350℃であり、処理時
間は1時間〜300時間、好ましくは、1 時間〜30 時間
である。高温水の温度が100℃未満や処理時間が1時間未
満の場合は、応力誘起マルテンサイト変態が起こりにく
いため、単斜晶に十分に変態しない。一方、450℃を超
える高温水では、高温熱水処理装置の使用が制限されて
おり、処理時間が300時間を超えると、コーティング処
理に時間とコストがかかりすぎ、実用的でない。
【0009】さらに、本発明に係るアブレイダブルコー
ティングをヘリコプタや航空機等のガスタービンエンジ
ンに適用すると、ガスタービンの試運転時における熱環
境により、アブレイダブルコーティングの結晶構造が正
方晶又は立方晶に変態して硬さが増加する。このため、
2回目以降の通常運転においては、前記ガスタービンエ
ンジンに砂塵を巻き込んだ場合でも耐摩耗性を維持で
き、ブレードやシュラウドの摩耗を阻止することができ
る。
【0010】また、本発明の一態様は、シュラウド材に
部分安定化ジルコニアセラミックスをコーティングする
ことにより、立方晶又は正方晶の結晶構造を有するジル
コニアセラミックス層を前記シュラウド材の表面に形成
するステップと、このジルコニアセラミックス層にショ
ットピーニングを施すことにより、ジルコニアセラミッ
クス層の結晶構造を単斜晶に変態させるステップとを含
むアブレイダブルコーティングの作製方法である。本発
明の別の態様は、前記部分安定化ジルコニアセラミック
スが、Y2O3,CaO,MgO,CeO2の群から選択される少なくと
も1つの安定化材を含むアブレイダブルコーティングの
作製方法である。このジルコニアセラミックスは、例え
ば、ZrO2+0.3〜20wt%Y2O3のように部分安定化ジルコニ
アセラミックスであることが必要である。
【0011】さらに、本発明の更に別の態様では、前記
安定化材がY2O3であり、100重量部のZrO2と、0.3〜20重
量部のY2O3 とを含むアブレイダブルコーティングの作
製方法である。100重量部のZrO2に対して0.3重量部未満
のY2O3を添加すると、部分安定化ジルコニアセラミック
スを形成することが困難となる。この場合は、ガスター
ビン運転等による熱履歴を受けると、ジルコニアセラミ
ックス層の結晶構造が単斜晶から正方晶又は立方晶に変
態するが、その後冷却されると、元の軟らかい単斜晶に
戻るため、耐摩耗性に劣る。一方、ZrO2に対して20重量
部を超えるY2O3を添加すると、ジルコニアセラミックス
が完全安定化して応力誘起マルテンサイト変態が発生し
ないため、ジルコニアセラミックス層の結晶構造が正方
晶又は立方晶から十分に単斜晶に変態しない。
【0012】そして、本発明の更に別の態様は、前記シ
ョットピーニングを、ジルコニアより高い硬度を有する
ショット材を用いて行うアブレイダブルコーティングの
作製方法である。また、本発明の更に別の態様は、前記
ショット材が、シリコンカーバイト又はタングステンカ
ーバイトからなるアブレイダブルコーティングの作製方
法である。さらに、本発明は、前述された方法によって
作製されたアブレイダブルコーティングである。そし
て、本発明の一態様は、前記アブレイダブルコーティン
グを備えたシュラウドである。さらに、本発明の別の態
様は、前記シュラウドを備えたガスタービンである。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態に係
るアブレイダブルコーティングの作製方法について、図
面を用いて詳細に説明する。 [第1の実施の形態]図1は、第1の実施の形態に係るア
ブレイダブルコーティングの作製方法を示すフローチャ
ートである。
【0014】まず、インコネル713C等の耐熱鋼からなる
シュラウド材の表面にアンダーコートを施す。このアン
ダーコートは、シュラウド材と後述するジルコニアセラ
ミックス層との間に設けられ、両者の熱膨張による応力
を緩和及び吸収する作用を有し、耐酸化及び耐高温腐食
用のコーティング材料として一般に使用されているエム
クラリー(MCrAlY)、例えば、CoNiCrAlYを用いること
ができる。
【0015】具体的には、前記シュラウド材の表面にMC
rAlYを、大気中におけるプラズマ溶射によって100〜250
μmの厚みにコーティングする。溶射条件は、電流が約5
00〜600A、作動ガスは例えばアルゴンガスと水素ガスの
混合ガスが好ましい。該混合ガス中におけるアルゴンガ
スと水素ガスの混合比は約5対1が好ましく、混合ガスの
全体流量は40〜50リットル/分が好ましい。プラズマ溶
射トーチとシュラウド材との距離は、100〜150mmが、
粉体供給量は、30〜40g/分が好ましい。プラズマ溶射
は、溶射トーチを前記シュラウド材の表面に対して往復
運動させることにより行う。
【0016】次いで、前記アンダーコートの上に、ZrO2
-0.3〜20wt%Y2O3(例えば、ZrO2-8wt%Y2O3)を0.3〜2.2
mmの厚さに大気中において更にプラズマ溶射すること
により、ジルコニアセラミックス層を形成する。溶射条
件は、電流が約500〜600A、作動ガスは、アルゴンガス
と水素ガスの混合ガスが好ましい。混合ガスにおけるア
ルゴンガスと水素ガスの混合比は、約5対1が好ましく、
全体流量は40〜50リットル/分が好ましい。プラズマ溶
射トーチとアンダーコートとの距離は100〜150mmが、
粉体供給量は、30〜40g/分が好ましい。プラズマ溶射
は、前記アンダーコートの表面に対して往復運動させる
ことにより行う。
【0017】こののち、シュラウド材にアンダーコート
及びジルコニアセラミックス層を形成したものを高温熱
水処理することにより、ジルコニアセラミックス層を応
力誘起マルテンサイト変態させてアブレイダブルコーテ
ィングを形成する。高温水の温度は100〜450℃で、処理
時間は1〜300時間とする。例えば、純水を収容したオー
トクレーブ中で300℃の温度で10時間保持することによ
って、アブレイダブルコーティングを形成することがで
きる。
【0018】[第2の実施の形態]図2は、第2の実施の
形態に係るアブレイダブルコーティングの作製方法を示
すフローチャートであり、ショットピーニングによって
ジルコニアセラミックス層を応力誘起マルテンサイト変
態させ、被切削性に優れたアブレイダブルコーティング
とする製造工程を示している。まず、耐熱鋼、例えばイ
ンコネル713C からなるシュラウド材にアンダーコート
を施す。該アンダーコートは、シュラウド材と後述する
ジルコニアセラミックス層との熱膨張緩和のために設け
られ、一般に使用されているMCrAlY、例えばCoNiCrAlY
をプラズマ溶射によって100〜250μmの厚みにコーティ
ングして形成する。
【0019】プラズマ溶射は、大気中において、電流が
約500〜600A、作動ガスは、アルゴンガスと水素ガスの
混合ガスを用いて行うことが好ましい。また、混合ガス
中におけるアルゴンガスと水素ガスの混合比は約5対1
で、全体流量は40〜50リットル/分が好ましい。プラズ
マ溶射トーチとシュラウド材との距離は100〜150mmと
することが好ましく、粉体供給量は、30〜40g/分が好ま
しい。プラズマ溶射は、溶射トーチをシュラウド材に対
して往復運動させて吹き付けることによって行う。
【0020】次いで、ZrO2-0.3〜20wt%Y2O3をプラズマ
溶射で0.3〜2.2mmの厚みにアンダーコートの上にさら
に溶射することによってジルコニアセラミックス層を形
成する。プラズマ溶射は、大気中で、電流約500〜600
A、作動ガスは、アルゴンガスと水素ガスの混合ガスが
好ましい。アルゴンガスと水素ガスの混合比は約5対1
で、全体流量は40〜50リットル/分が好ましい。プラズ
マ溶射トーチとシュラウド材との距離は100〜150mm
が、粉体供給量は、30〜40g/分が好ましい。プラズマ溶
射は、前記アンダーコートを溶射したシュラウド材に対
して溶射トーチを往復運動させ、0.3〜2.2mmの厚みに
コーティングを行う。
【0021】こののち、アンダーコート及びジルコニア
セラミックス層を形成したシュラウド材に対して、空気
式加速装置等を用いてショットピーニング処理を施すこ
とにより、ジルコニアセラミックス層に応力誘起マルテ
ンサイト変態を発生させ、これにより、ジルコニアセラ
ミックス層を単斜晶に変態させることができる。ショッ
トピーニング処理においては、平均粒径が0.1〜0.6mm
で、ジルコニアより硬質なシリコンカーバイトからなる
ショット粒子を使用することが好ましい。作動圧力は、
0.3〜0.7MPaで、投入ショット量は5〜30kg/minが好まし
い。また、投射角度は90°、投射時間は1〜30分間、及
びショットピーニングノズルからショットピーニングさ
れるシュラウドとの距離は、10〜30cmが好ましい。
【0022】
【実施例】次いで、本発明を実施例によって具体的に説
明する。 [実施例1]図1に示すように、シュラウド材はインコ
ネル713C を用いた。まず、シュラウド材と後述するジ
ルコニアセラミックス層との熱膨張緩和のためにアンダ
ーコートとして、CoNiCrAlYをプラズマ溶射で100〜250
μmの厚みにコーティングを行った。プラズマ溶射は、
大気中において、電流が約500〜600A、作動ガスは、ア
ルゴンガスと水素ガスの混合ガスとした。アルゴンガス
と水素ガスの混合比は約5対1、全体流量は40〜50リット
ル/分とした。また、プラズマ溶射トーチとシュラウド
材との距離は100〜150mm、粉体供給量は30〜40g/min
とした。プラズマ溶射は、インコネル713Cに対して溶
射トーチを往復運動させ、100〜250μmの厚みにCoNiCrA
lYをコーティングした。
【0023】その後、ZrO2-8wt%Y2O3を0.3〜2.2mmの
厚みにアンダーコートの上にさらにプラズマ溶射するこ
とにより、ジルコニアセラミックス層を形成した。プラ
ズマ溶射は、大気中で、電流が約500〜600A、作動ガス
は、アルゴンガスと水素ガスの混合ガスとした。アルゴ
ンガスと水素ガスの混合比は約5対1、全体流量は40〜50
リットル/分とした。また、プラズマ溶射トーチとシュ
ラウド材との距離は100〜150mm、粉体供給量は、30〜
40g/minとした。なお、プラズマ溶射は、アンダーコー
トに対して溶射トーチを往復運動させ、0.3〜2.2mmの
厚みにコーティングを行った。
【0024】こののち、ZrO2-8wt%Y2O3からなるジルコ
ニアセラミックス層を応力誘起マルテンサイト変態させ
るために、純水のオートクレーブ中で温度300℃で10時
間保持した。表1に、本実施例1で処理を行ったアブイレ
イダブルコーティングの各段階におけるビッカース硬さ
を示す。比較をするために、本発明の範囲外であるジル
コニアセラミックスであるZrO2及びZrO2-30wt%Y2O3コー
ティングのデータも示す。
【0025】ビッカース硬さは、JIS Z 2244「ビッカ
ース硬さ試験−試験方法」に準じてジルコニアコーティ
ングを形成した表面にダイヤモンド圧子を押し込んで測
定した。さらに、ガスタービンに適用した後の熱影響を
調べるために、本実施例1のコーティングを施したシュ
ラウドを用いてガスタービンを組み立て、定格運転を10
時間実施した。
【0026】
【表1】
【0027】表1に示すように、本発明により、高温熱
水処理を用いてジルコニアセラミックスからなるコーテ
ィングに応力誘起マルテンサイト変態を発生させ、硬さ
を低下させることができた。
【0028】[実施例2]図2に示すように、シュラウ
ド材は、インコネル713C を用いた。まず、シュラウド
材と後述するジルコニアセラミックス層との熱膨張緩和
のためにアンダーコートとして、CoNiCrAlYを大気中で
プラズマ溶射を行い、100〜250μmの厚みにコーティン
グを施した。プラズマ溶射の電流値は約500〜600A、作
動ガスは、アルゴンガスと水素ガスの混合ガスを用い
た。また、アルゴンガスと水素ガスの混合比を約5対1と
し、全体流量を40〜50リットル/分とした。プラズマ溶
射トーチとシュラウド材との距離は100〜150mmとし、
粉体供給量は、30〜40g/minとした。プラズマ溶射は、
シュラウド材に対して溶射トーチを往復運動させ、100
〜250μmの厚みにコーティングを行った。
【0029】その後、ZrO2-8wt%Y2O3を大気中でプラズ
マ溶射することにより0.3〜2.2mmの厚みのジルコニア
セラミックス層をアンダーコートの上にさらに形成し
た。プラズマ溶射の電流は約500〜600A、作動ガスはア
ルゴンガスと水素ガスの混合ガスとした。アルゴンガス
と水素ガスの混合比は約5対1で、全体流量は40〜50リッ
トル/分とした。また、プラズマ溶射トーチとシュラウ
ド材料との距離は100〜150mmとし、粉体供給量は30〜
40g/minとした。プラズマ溶射は、アンダーコートに対
して溶射トーチを往復運動させ、0.3〜2.2mmの厚みに
コーティングをした。
【0030】これらの溶射ののち、応力誘起マルテンサ
イト変態を発生させるために、空気式加速装置を用いて
ショットピーニング処理を実施した。該ショットピーニ
ング処理においては、平均粒径が0.1〜0.6mmである、ジ
ルコニアより硬質なシリコンカーバイトからなるショッ
ト粒子を使用した。作動圧力は、0.3〜0.7MPaとし、投
入ショット量は5〜30kg/min、投射角度は90°とした。
そして、投射時間は1〜30分間、ショットピーニングノ
ズルとシュラウドとの距離は、10〜30cmとした。
【0031】表2に、本実施例2でアブイレイダブルコ
ーティングの各段階におけるビッカース硬さを示す。比
較のために同様な方法で得られた本発明の範囲外のZrO2
とZrO2+30wt%Y2O3コーティングのデータも示す。また、
ビッカース硬さは、JIS Z 2244「ビッカース硬さ試験
−試験方法」に準じてジルコニアコーティングを形成し
た表面からダイヤモンド圧子を押し込み実施した。さら
に、運転後の熱影響を調べるために、ガスタービンとし
て組み立て、10時間定格運転を実施した。
【0032】
【表2】
【0033】表2から判るように、本発明により、ジル
コニアセラミックスからなるコーティングにショットピ
ーニング処理により応力誘起マルテンサイト変態を発生
させ、硬さを低下させることができた。
【0034】
【発明の効果】本発明によれば、ガスタービンのシュラ
ウドに適用する場合、ガスタービンの初回運転でチップ
クリアランスが調整される時点では、軟らかく被切削性
に優れているため、たとえ動翼の先端がシュラウドに接
触しても、アブレイダブルコーティングが切削され、回
転側の動翼が損傷等することがない。よって、チップク
リアランスをより小さくすることにより、ガスタービン
の性能向上を図ることができる。また、高温の熱履歴を
一旦受けると、結晶構造が元の立方晶又は正方晶に変態
するため、耐摩耗性が向上し、ガスタービンの耐久性を
上げることができる。
【0035】さらに、本発明に係るアブレイダブルコー
ティングをヘリコプタや航空機等のガスタービンエンジ
ンに適用すると、高温の熱履歴を受けたのちは硬さが増
加し、耐摩耗性を維持できるため、砂塵を巻き込んでも
ブレードやシュラウドが摩耗することがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係るアブレイダブルコーテ
ィングの作製方法を示すフローチャートである。
【図2】第2の実施の形態に係るアブレイダブルコーテ
ィングの作製方法を示すフローチャートである。
【図3】ガスタービンの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
101 ガスタービン 103 シュラウド 103a 内周面 105 動翼 105a 外周縁 107 高温ガス 111 アブレイダブルコーティング 113 アブレッシブコーティング r 回転方向 C 回転軸 D 隙間
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02C 7/00 F02C 7/00 C D 7/28 7/28 A E (72)発明者 清水 邦弘 愛知県小牧市大字東田中1200番地 三菱重 工業株式会社名古屋誘導推進システム製作 所内 (72)発明者 千田 誠 愛知県名古屋市港区大江町10番地 三菱重 工業株式会社名古屋航空宇宙システム製作 所内 Fターム(参考) 3G002 GA06 GA10 HA04 HA12 4K031 AA02 AA08 AB02 AB03 AB08 AB09 AB10 CB22 CB26 CB27 CB42 DA04 EA02 FA01 FA04 FA10 4K044 AA02 AB10 BA12 BC01 CA11 CA67

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シュラウド材に部分安定化ジルコニアセ
    ラミックスをコーティングすることにより、立方晶又は
    正方晶の結晶構造を有するジルコニアセラミックス層を
    前記シュラウド材の表面に形成するステップと、このジ
    ルコニアセラミックス層を形成したシュラウド材に、10
    0℃〜450℃の温度で1時間〜300時間の間、高温熱水処理
    を施すことにより、前記ジルコニアセラミックス層の結
    晶構造を単斜晶に変態させるステップとを含むことを特
    徴とするアブレイダブルコーティングの作製方法。
  2. 【請求項2】 シュラウド材に部分安定化ジルコニアセ
    ラミックスをコーティングすることにより、立方晶又は
    正方晶の結晶構造を有するジルコニアセラミックス層を
    前記シュラウド材の表面に形成するステップと、このジ
    ルコニアセラミックス層にショットピーニングを施すこ
    とにより、ジルコニアセラミックス層の結晶構造を単斜
    晶に変態させるステップとを含むことを特徴とするアブ
    レイダブルコーティングの作製方法。
  3. 【請求項3】 前記部分安定化ジルコニアセラミックス
    が、Y2O3,CaO,MgO,CeO2の群から選択される少なくとも
    1つの安定化材を含むことを特徴とする請求項1又は2
    に記載のアブレイダブルコーティングの作製方法。
  4. 【請求項4】 前記安定化材がY2O3であり、100重量部
    のZrO2と、0.3〜20重量部のY2O3 とを含むことを特徴と
    する請求項3に記載のアブレイダブルコーティングの作
    製方法。
  5. 【請求項5】 前記ショットピーニングを、ジルコニア
    より高い硬度を有するショット材を用いて行うことを特
    徴とする請求項2〜4のいずれか一に記載のアブレイダ
    ブルコーティングの作製方法。
  6. 【請求項6】 前記ショット材が、シリコンカーバイト
    又はタングステンカーバイトからなることを特徴とする
    請求項5に記載のアブレイダブルコーティングの作製方
    法。
  7. 【請求項7】 前記請求項1〜6のいずれかに記載され
    た方法によって作製されたことを特徴とするアブレイダ
    ブルコーティング。
  8. 【請求項8】 前記請求項7のアブレイダブルコーティ
    ングを備えたことを特徴とするシュラウド。
  9. 【請求項9】 前記請求項8のシュラウドを備えたこと
    を特徴とするガスタービン。
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