JPS5911056B2 - 摩滅性シ−ル複合構体 - Google Patents
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- JPS5911056B2 JPS5911056B2 JP751053A JP105375A JPS5911056B2 JP S5911056 B2 JPS5911056 B2 JP S5911056B2 JP 751053 A JP751053 A JP 751053A JP 105375 A JP105375 A JP 105375A JP S5911056 B2 JPS5911056 B2 JP S5911056B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は摩滅性シールに関する。
このシールは金属基材と金属/セラミック構体を備え、
該構体において金属/セラミック組成の比率が順次に異
なる。
該構体において金属/セラミック組成の比率が順次に異
なる。
本シールは1650℃の高温運転に耐えるものである。
可動部材と静止部材間のクレアランスを非常に小さいも
のにすることが要求される場合は多い。
のにすることが要求される場合は多い。
例えばタービンにおいて、タービン・ブレードとタービ
ン・ハウジング間のクレアランスは可及的に小さくされ
るが、そのようなクレアランスを実際に得るのは大変難
しい。
ン・ハウジング間のクレアランスは可及的に小さくされ
るが、そのようなクレアランスを実際に得るのは大変難
しい。
微小クレアランスをもたせた嵌合は、各部材の製作許容
誤差を小さく設定すれば可能であるが、そのような高精
度加工は費用が掛かり過ぎて実際の商業ベースに合わな
い。
誤差を小さく設定すれば可能であるが、そのような高精
度加工は費用が掛かり過ぎて実際の商業ベースに合わな
い。
さらに部材の熱膨張係数がそれぞれ違うことにより、嵌
合されたそれら部材が高温環境下に置かれた場合、それ
ら部材間のクレアランスは増大または減少する。
合されたそれら部材が高温環境下に置かれた場合、それ
ら部材間のクレアランスは増大または減少する。
減少の場合、部材間に摩擦接触が起り、これによってさ
らに高温の発熱が生じ、部材の一方または両方の損傷が
おき易い。
らに高温の発熱が生じ、部材の一方または両方の損傷が
おき易い。
クレアランス増大の場合には、これがタービンであれば
、タービン・ブレードの先端とハウジング間におけるガ
ス漏れが大きくなり、従ってガスのエネルギー利用率が
十分でなくなるから、稼働効率が落ちる。
、タービン・ブレードの先端とハウジング間におけるガ
ス漏れが大きくなり、従ってガスのエネルギー利用率が
十分でなくなるから、稼働効率が落ちる。
タービンにおいて、回転部材の熱膨張やタービン・ハウ
ジングの非同心的変形によってター・ビン・ブレードの
摩擦接触が生じた場合、摩滅できるような摩滅性被覆を
タービン・ハウジングの内面に被覆することは、種々の
方法により行なわれている。
ジングの非同心的変形によってター・ビン・ブレードの
摩擦接触が生じた場合、摩滅できるような摩滅性被覆を
タービン・ハウジングの内面に被覆することは、種々の
方法により行なわれている。
このような被覆は、摩擦接触が起きた場合には、ロータ
ーの損傷を防ぐと同時に、タービン各段間のガス漏れを
押える。
ーの損傷を防ぐと同時に、タービン各段間のガス漏れを
押える。
タービンにそのような被覆を施す方法は、タービンの稼
働効率を上げるだけでなく、タービン部材の摩滅しきっ
たシールの迅速且つ経済的な交換を可能にする。
働効率を上げるだけでなく、タービン部材の摩滅しきっ
たシールの迅速且つ経済的な交換を可能にする。
ところで現在使用されている摩滅性シールの多くはその
組成が主として金属であり、従って高温環境での使用に
適さない。
組成が主として金属であり、従って高温環境での使用に
適さない。
適用できるのは表面温度が1150℃を超えない場合で
ある。
ある。
しかし現代のジェット・エンジンで用いられるシールは
1650℃の高温に耐えるようなものでなくてはならな
い。
1650℃の高温に耐えるようなものでなくてはならな
い。
セラミック材科ならこのような高温にも耐えられるし、
また多孔質被覆の形で摩滅性シールは延展性に欠け、ま
た、被覆さるべき基材は普通高温度特性の良好な、また
強度の高い且つ耐蝕性のニッケル又はコバルト系の合金
属(以下「超合金」と言う)が多いのだが、セラミック
はこのような基材とよく接合しない。
また多孔質被覆の形で摩滅性シールは延展性に欠け、ま
た、被覆さるべき基材は普通高温度特性の良好な、また
強度の高い且つ耐蝕性のニッケル又はコバルト系の合金
属(以下「超合金」と言う)が多いのだが、セラミック
はこのような基材とよく接合しない。
この理由から、タービンにおいて普通に用いられる材料
に、セラミックの摩滅性シールを直接接合することを、
実際に行なうのは難しいのである。
に、セラミックの摩滅性シールを直接接合することを、
実際に行なうのは難しいのである。
この材料は約1400ないし1500℃で溶ける超合金
でなければならず、そして耐火物や貴金属はそのように
高温なタービン運転温度における充分な耐酸化性をもっ
ていない。
でなければならず、そして耐火物や貴金属はそのように
高温なタービン運転温度における充分な耐酸化性をもっ
ていない。
現在のセラミック/金属接合技術における別の重要な欠
点は、そのような接合を行なおうとすること自体から必
然的に、接合が薄くされることである。
点は、そのような接合を行なおうとすること自体から必
然的に、接合が薄くされることである。
普通セラミックと金属の熱膨張係数は異なり、従って熱
運転においてひずみが生じるが、このひずみは接合部分
で吸収しなけねばならないから、この薄い接合部分に大
きな応力が掛かる。
運転においてひずみが生じるが、このひずみは接合部分
で吸収しなけねばならないから、この薄い接合部分に大
きな応力が掛かる。
このような接合構体がタービンの熱運転によく耐えない
ことは明らかであろう。
ことは明らかであろう。
それでもなお、金属部材を高熱から防護し、且つ回転す
るタービン・ブレードが接触した場合、摩滅できるシー
ルは、なくてはならないものなのである。
るタービン・ブレードが接触した場合、摩滅できるシー
ルは、なくてはならないものなのである。
一般的にいえば本発明はセラミックの頂部層とクロム含
有超合金粉末の底部層とを備える、1650℃ないしそ
れ以上の温度で運転するガス・タービンに使用される摩
滅性シールに関する。
有超合金粉末の底部層とを備える、1650℃ないしそ
れ以上の温度で運転するガス・タービンに使用される摩
滅性シールに関する。
セラミック/金属混合物の中間層が少なくとも2個設け
られ、全セラミックから全金属までの組成比率段階ヲモ
った構体が作られる。
られ、全セラミックから全金属までの組成比率段階ヲモ
った構体が作られる。
各層ごとにセラミックと金属粉末は水と混合されてペー
ストとされ、このペーストが順次重ねられて組成段階の
ある構体に形成される。
ストとされ、このペーストが順次重ねられて組成段階の
ある構体に形成される。
次いで緩つくり乾かさね、金属基村上に置かれる。
基村上に重ねられた複合構体は加圧され、そして焼結と
結合が終わるまで炉内で加熱される。
結合が終わるまで炉内で加熱される。
ペースト状にされる第1層は実質的にセラミックだけか
ら成る。
ら成る。
このセラミックは約325メッシュ粉末から稠密までの
粒子寸法範囲の粒子、または約0.25mm直径の中空
球の形が好適である。
粒子寸法範囲の粒子、または約0.25mm直径の中空
球の形が好適である。
この耐火物は、約1600℃以上の温度で熱変質しない
、アルミナ、ジルコニア、セリア、イットリア、シリカ
、マグネシアのような酸化金属の内の一種類またはこれ
らの混合物のいずれであってもよい。
、アルミナ、ジルコニア、セリア、イットリア、シリカ
、マグネシアのような酸化金属の内の一種類またはこれ
らの混合物のいずれであってもよい。
結合剤としてコロイド状シリカその他適当な材料が添加
される。
される。
これは3重量係以下のシリカが好適であるが、それ以上
のパーセンテージでもよい。
のパーセンテージでもよい。
必要であればこのセラミック層は、中空セラミック球で
成る層と、セラミック粉末で成る層とで構成してもよい
。
成る層と、セラミック粉末で成る層とで構成してもよい
。
この層の厚さは場合に応じて異なるが、少なくとも1.
25mmでなければならない。
25mmでなければならない。
最終または金属層は実質的または全体的に耐酸化性クロ
ム含有超合金粉末で成り、これに超合金と、シリコン、
ホウ素、リン等のようなロウ付け助勢剤とを合わせたも
ので成るロウ付け粉末が混合される。
ム含有超合金粉末で成り、これに超合金と、シリコン、
ホウ素、リン等のようなロウ付け助勢剤とを合わせたも
ので成るロウ付け粉末が混合される。
好適な合金としては、ニッケル,/クロム、コバルト/
クロム、鉄/クロム等であり、これにアルミニウムまた
はチタンが加わることがある。
クロム、鉄/クロム等であり、これにアルミニウムまた
はチタンが加わることがある。
コロイド状シリカその他適当な結合剤が、約3重量パー
セント以下添加される。
セント以下添加される。
このパーセンテージはもつと多くともよい。
この金属粉末の粒子寸法は好適には約100ないし15
0メッシュであるが、そわより幾分大きくまたは小さく
できる。
0メッシュであるが、そわより幾分大きくまたは小さく
できる。
この金属層の厚さは少なくともQ. 2 5 mm、好
適には0.75ないし1.5關である。
適には0.75ないし1.5關である。
最初のセラミック層と最後の金属層の間の中間層なセラ
ミック粉末と超合金粉末の混合物で作られる。
ミック粉末と超合金粉末の混合物で作られる。
セラミック粉末(先に挙げたような種類のもの)の粒子
寸法は、どの層でも、325メッシュ以下である。
寸法は、どの層でも、325メッシュ以下である。
超合金粉末の粒子寸法は、どの層でも、少なくとも20
0メッシュ、好適には100ないし150メッシュとさ
れる。
0メッシュ、好適には100ないし150メッシュとさ
れる。
コロイド状シリカ等のような適当な結合剤が約3係各層
ごとに添加される。
ごとに添加される。
これら中間層の厚さは少なくとも0.25ないし1.
5 mm,好適にはLOmmとされる。
5 mm,好適にはLOmmとされる。
本発明において全セラミック層は最初充分な水を使って
ペーストを作ることにより形成される。
ペーストを作ることにより形成される。
この材料は次いで所定の厚さに均等に散布され、そして
このセラミック層はモールド内に置かれる。
このセラミック層はモールド内に置かれる。
次にセラミック/金属粉末混合物の層が同じように水を
加えて所定の厚さに作られ、それから最初の全セラミッ
ク層上に重ねられる。
加えて所定の厚さに作られ、それから最初の全セラミッ
ク層上に重ねられる。
このセラミック/金属層の上に少なくとも1個またはそ
れ以上のセラミック/金属粉末混合物層が重ねられる。
れ以上のセラミック/金属粉末混合物層が重ねられる。
これら層は順次に金属比率を大きくされる。
これらセラミック/金属層の上に最後に、全金属粉末層
が重ねられる。
が重ねられる。
この全金属層も水を混ぜて作られる。
こうして全ての層がモールドまたは同様なものの中に重
ねられたら、この複合物は少なくとも約IKp/ffl
好ましくは1 7 5 Ky/airの圧力が掛けられ
る。
ねられたら、この複合物は少なくとも約IKp/ffl
好ましくは1 7 5 Ky/airの圧力が掛けられ
る。
この圧力は複合物が乾燥オーブン内で乾かされる間中、
維持される。
維持される。
約125℃の温度が少なくとも2時間加えられる。
構体のひび割れを起す急激なガス噴出を行なわせないよ
うに、加熱は時間をかけて緩つくり行なわれる。
うに、加熱は時間をかけて緩つくり行なわれる。
乾燥した複合物は基材へ取付けられる。
このとき初めに、基材は最終層におけるのと同じ材質の
ロウ付け粉末を被覆され、そして複合構体が次ぎに基材
上に置かれる。
ロウ付け粉末を被覆され、そして複合構体が次ぎに基材
上に置かれる。
固定具により複合物と基材の接触を保持する。
加熱によって複合物の材料が容易に膨張するようなら、
掴持装置で充分であろうが、好適にはブラダーのような
積極加圧装置が用いられる。
掴持装置で充分であろうが、好適にはブラダーのような
積極加圧装置が用いられる。
普通約70&/CI1lの圧力で、複合物と基材の良好
な接合が得られる。
な接合が得られる。
加熱は、水素、ヘリウム、アルゴンのような不活性雰囲
気中で行なわれる。
気中で行なわれる。
この温度は少なくとも1100℃、好適には1225℃
とされる。
とされる。
複合物へ加えられる圧力は、乾燥工程の間複合物の一体
性を保ち、そして基材へのロウ付けをよく行なわせるに
充分な圧力でなければならないが、またその圧力はセラ
ミック層の多孔性を破壊するほど大きくてはいけない。
性を保ち、そして基材へのロウ付けをよく行なわせるに
充分な圧力でなければならないが、またその圧力はセラ
ミック層の多孔性を破壊するほど大きくてはいけない。
セラミック層に摩滅性をもたせ、従って良好なシール材
料の機能をもたせるものは、その多孔性であり、焼結し
てなお、個々の粒子が存在しているごときその構体によ
るのである。
料の機能をもたせるものは、その多孔性であり、焼結し
てなお、個々の粒子が存在しているごときその構体によ
るのである。
次に幾つかの実例を挙げる。
第1例
次のようにして摩滅性シール複合構体が作られそして基
材へ取付けられた。
材へ取付けられた。
全部で以下のような6種類の異なる材料が用われた。
材料リスト
A ノートン社製中空アルミナ球、グレイドE163泡
立てられたアルミナ、3 5/6 0メッシュ寸法。
立てられたアルミナ、3 5/6 0メッシュ寸法。
B アルコア社製アルミナ粉末、グレイドA−10−3
25メッシュ。
25メッシュ。
C メタケイ酸ナトリウム、無水、−325メッシュ。
D テカツサ製コロイド状シリカ、アエロゾル200グ
レイド。
レイド。
E NiCr粉末(Ni80重量係、C r20重量
%)100/150メッシュ。
%)100/150メッシュ。
F NiCrSi ロウ付け粉末 AM S 4
7 8 2 ,100/150メッシュ。
7 8 2 ,100/150メッシュ。
※※ これら材科を用いて8個の
異なる層が作られた。
異なる層が作られた。
これら層の組成を重量係で示すと次の通りである。
ポリエステルの薄いフイルムが平らな面上に置かれ、そ
して所定の幅と厚さを与えるためのスペーサ棒を備えて
、第1層が該フィルム上に均等に散布された。
して所定の幅と厚さを与えるためのスペーサ棒を備えて
、第1層が該フィルム上に均等に散布された。
気泡が除かれ、表面は滑らかで平らにされた。
次いで第2層が作られ、第1層上に重ねられた。
同じようにして第3層ないし第7層が作られ、順次重ね
られた。
られた。
金属粉末の第8層が、また湿った状態の内に、第7層上
に散布され、そして滑らかに且つ平らにされた。
に散布され、そして滑らかに且つ平らにされた。
この湿れている複合物は次いで、正しい半径をもつ形に
するため、適当な彎曲固定具上に置かれた。
するため、適当な彎曲固定具上に置かれた。
焼結された50重量係のA粉末と50重量係のB粉末の
0.25mm層を被覆しておいた支持固定 ,基材が、
その湿潤複合物上に押圧され、そしてこの全体が乾燥用
固定具内に置かれた。
0.25mm層を被覆しておいた支持固定 ,基材が、
その湿潤複合物上に押圧され、そしてこの全体が乾燥用
固定具内に置かれた。
乾燥は高湿度(約95係の湿度)室内で、45℃の温度
で8時間、次いで70℃で8時間、最後に125℃で2
時間行なわれた。
で8時間、次いで70℃で8時間、最後に125℃で2
時間行なわれた。
この時間をかけて非常に緩っ .くりと乾燥を行なうこ
とにより、構体のひび割れの原因となるガス放出が避け
られる。
とにより、構体のひび割れの原因となるガス放出が避け
られる。
乾燥が終了した後、炉中試験用の試料が採られた。
複合物と基材は再び拘束固定具内に入れられ、乾燥水素
雰囲気中で緩つくり加熱された。
雰囲気中で緩つくり加熱された。
温度が1000℃に達したとき、ブラダー型固定具は3
5F/iまで加圧された。
5F/iまで加圧された。
この加圧により複合物は基材と密着するように押された
。
。
温度が1225℃に達したとき、圧力は7 0 ,!i
t /critまで増加され、そしてこの状態のまま2
時間維持された。
t /critまで増加され、そしてこの状態のまま2
時間維持された。
次いで、70EZ/cutの圧力を保持したまま、10
00℃まで冷却された。
00℃まで冷却された。
次いで圧力は35,9/dまで下げられ、そしてこの圧
力は温度が875℃に下がるまで維持された。
力は温度が875℃に下がるまで維持された。
温度が875℃になったとき、圧力は全て解除され、そ
して組立体が炉から出されて全ての工程が完了した。
して組立体が炉から出されて全ての工程が完了した。
こうして作られた製品は金属基材へ接合した多孔質の、
摩滅性のあるセラミック表面を構成し、この表面は酸化
性雰囲気に対する抵抗性をもち、少なくとも1650℃
の温度に耐え、そして高熱運転においても何の損傷も受
けない表面であった。
摩滅性のあるセラミック表面を構成し、この表面は酸化
性雰囲気に対する抵抗性をもち、少なくとも1650℃
の温度に耐え、そして高熱運転においても何の損傷も受
けない表面であった。
第2例
第1例と同様にして摩滅性シール複合構体が作られ、そ
して基材へ取付けられた。
して基材へ取付けられた。
次のような5種類の材料が使われた。
A.ノートン社製中空CaO安定ジルコニア球、グレイ
ド、ジルノライト■.泡立てられたジルコニア。
ド、ジルノライト■.泡立てられたジルコニア。
B.ジルコニア社製16.9重量%イットリア安定ジル
コニア粉末、−325メッシュ。
コニア粉末、−325メッシュ。
C.デュポン社製コロイド状シリカ、グレイド、ポジテ
ィブSol 130M D.NiCr粉末(Ni80重量係、Cr20重量係)
100/150メッシュ。
ィブSol 130M D.NiCr粉末(Ni80重量係、Cr20重量係)
100/150メッシュ。
E.NiCrSi oウ付け粉末、AM S 4 7
8 2、100/150メッシュ。
8 2、100/150メッシュ。
これら材科から8個の異なる層の複合物が作られた。
各層の組成比率(重量%)は以下の通りであった。
これら層は第1例と同様に形成且つ組立てられそしてこ
の複合物は乾かされ、金属基材へ取付けられた。
の複合物は乾かされ、金属基材へ取付けられた。
そし゛C第1例と同じように多孔質の摩滅性表面が得ら
れた。
れた。
第3例
第1例と同様にして摩滅性シール複合構体が基※※材へ
取付けられた。
取付けられた。
次の6種類の材料が使われた,A.ノートン社製中空C
aO安定ジルコニア球、グレード、ジルノライトI,泡
立てられたジルコニア。
aO安定ジルコニア球、グレード、ジルノライトI,泡
立てられたジルコニア。
B.ジルコニア社製16.9重量係イツl− IJア安
定ジルコニア粉末−325メッシュ。
定ジルコニア粉末−325メッシュ。
C.デュポン社製コロイド状シリカ、グレイド、ポジテ
ィブSo].130M(水懸濁)。
ィブSo].130M(水懸濁)。
D.結合剤として、スタイン・ホール社製ジャガー重合
体JB、グアルゴム誘導体。
体JB、グアルゴム誘導体。
E.NiCr粉末(Ni80重量係、C[20重量%)
1 0 0/1 5 0メッシュ。
1 0 0/1 5 0メッシュ。
F.アローイ メタル インコーポレーテツド製のAm
dry 4 0 0ロー付け粉末(Co ,Cr ,N
i,Si及び少量のBとWを含むロー付金属粉末、1
4 0/2 7 0メッシュ)。
dry 4 0 0ロー付け粉末(Co ,Cr ,N
i,Si及び少量のBとWを含むロー付金属粉末、1
4 0/2 7 0メッシュ)。
これらのあるものは均等性をよくし、構成を容易にする
ため予め混合された。
ため予め混合された。
すなわち結合剤としてDを1%含む溶液がCによって作
られた。
られた。
また金属粉末として、Fを25重量係含む混合物がEと
共に作られた。
共に作られた。
材料Aのセラミックは寸法によって2つに分類された。
これら材科から5個の層が作られた。
これら層の組成の重量係を以下に示す。
正確な厚さと幅を与えるためのスペーサ棒を備えた、薄
い(0.1mm)ニッケル・フォイル上に、第1層が均
等に散布され、次いで所要形状のモールドへ移された。
い(0.1mm)ニッケル・フォイル上に、第1層が均
等に散布され、次いで所要形状のモールドへ移された。
第2層が、薄い( 0.0 3 7 mm)ポリエステ
ル(マイラー)フイルム上へ置かれる以外は、第1層と
同じようにして作られ、次いで裏返されてモールド内の
第1層上に重ねられ、そしてポリエステル・フイルムが
はがされ、この面に第3層が重ねられた。
ル(マイラー)フイルム上へ置かれる以外は、第1層と
同じようにして作られ、次いで裏返されてモールド内の
第1層上に重ねられ、そしてポリエステル・フイルムが
はがされ、この面に第3層が重ねられた。
他の層も同じように作られ、重ねられた。
全部の層がモールド内に重ねられた後、175K2/C
r?tの圧力が加えられ、ボルト留めされた。
r?tの圧力が加えられ、ボルト留めされた。
複合物の入っているモールドは乾燥オーブンで初め5時
間45℃の温度に置かれ、次いで5時間80℃、最後に
5時間125℃の温度に置かれた。
間45℃の温度に置かれ、次いで5時間80℃、最後に
5時間125℃の温度に置かれた。
次ぎに複合物は第1例と同じようにして金属基材固定物
ヘロウ付けされた。
ヘロウ付けされた。
こうして作られた製品は、第1例、第2例の場合と同じ
く、金属基材へ堅く接合した多孔質の、摩滅性セラミッ
ク表面を構成し、この表面は少なくとも1650℃の酸
化性雰囲気に対す鵡抵抗性を有し、損傷さifに高熱運
転に耐えるものであった。
く、金属基材へ堅く接合した多孔質の、摩滅性セラミッ
ク表面を構成し、この表面は少なくとも1650℃の酸
化性雰囲気に対す鵡抵抗性を有し、損傷さifに高熱運
転に耐えるものであった。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 熱運転に耐える、焼結された摩滅性シール多層複合
構体において、耐高温酸化性の、多孔質の、摩滅可能な
セラミック表面層、金属基材へ接合される金属底面層、
およびセラミック/金属混合物の少なくとも2個の中間
層を備え、各該中間層のセラミック/金属組成のセラミ
ックの比率が該セラミック表面層に隣接する中間層にお
いて最も高く、そして次の層に行くに従って順次に低く
なる上記構体。 2 焼結された摩滅性シール多層複合構体を作る方法に
おいて、 a)セラミック材科の粒子に水と結合剤を混ぜてペース
トを作り、これから所要厚さの表面層を形成すること、 b)該セラミック材料の粒子にクロム含有超合金の粒子
、水および結合剤を混ぜてペーストを作り、これから所
要厚さの中間層を形成し、該中間層は該表面層の上に置
くこと、 C)上記(b)段階のようにしてさらに別の少なくとも
1つの中間層を形成し、これらの各中間層はそのセラミ
ックに対する金属の比率をそれぞれ先行の中間層より高
いものとし、そしてその各各の中間層をそれぞれの先行
中間層の上に置くこと、 d)クロム含有超合金の粒子にロウ付け助勢剤と水を混
ぜてペーストを作り、これから所要厚さの金属底面層を
形成し、該金属底面層は最後の該中間層の上に置くこと
、 e)それら組合せた層を、適当な固定具内において少な
くとも1 7 5 Ky/critの初期圧力を掛け、
次いで緩つくりと加熱乾燥すること、 f)上記乾燥した複合物を金属基材に配置して金属底部
層を該金属基材と接触させ、更に該複合物を焼結させ且
つ該複合物を該金属基材に接合するのに充分な時間で、
該複合物を金属基材に接触させるに充分な圧力下で、不
活性あるいは還元性ふん囲気中で焼結温度に加熱するこ
と、の各段階を有することを特徴とする上記方法。
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