JPS62167830A - 耐熱性金属基複合材料の製造方法 - Google Patents
耐熱性金属基複合材料の製造方法Info
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- JPS62167830A JPS62167830A JP808386A JP808386A JPS62167830A JP S62167830 A JPS62167830 A JP S62167830A JP 808386 A JP808386 A JP 808386A JP 808386 A JP808386 A JP 808386A JP S62167830 A JPS62167830 A JP S62167830A
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Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は高耐熱疲労、耐熱衝撃性等が要求される耐熱性
金属基複合材料を製造する方法に係り、特にマトリック
ス金属と強化繊維とを複合化さける方法において、マト
リックス金属と強化繊維との熱膨張差に基因する材料の
割れの発生防止等を図った耐熱性金属基複合材料の製造
方法に関する。
金属基複合材料を製造する方法に係り、特にマトリック
ス金属と強化繊維とを複合化さける方法において、マト
リックス金属と強化繊維との熱膨張差に基因する材料の
割れの発生防止等を図った耐熱性金属基複合材料の製造
方法に関する。
従来、耐熱機器、例えば発電用蒸気タービンのタービン
ブレード等には高温強度、耐食性等に優れた12Cr鋼
系の鉄基合金が多用されている。
ブレード等には高温強度、耐食性等に優れた12Cr鋼
系の鉄基合金が多用されている。
ところが、近年発電プラントの大容但化、高効率化の要
求に伴い、タービンの大型化、高温化が進められており
、特に蒸気タービンとガスタービンとを組合せたコンバ
インドサイクルの実用化により、タービンブレードがさ
らされる雰囲気温度稈1000℃近くなっている。この
ため、12Cr鋼系の鉄基合金よりもさらに高温強度、
耐食性に優れた材料が要望されるようになっている。
求に伴い、タービンの大型化、高温化が進められており
、特に蒸気タービンとガスタービンとを組合せたコンバ
インドサイクルの実用化により、タービンブレードがさ
らされる雰囲気温度稈1000℃近くなっている。この
ため、12Cr鋼系の鉄基合金よりもさらに高温強度、
耐食性に優れた材料が要望されるようになっている。
このような要望に沿う材料として、Ti合金やNi基合
金が開発されているが、これらはタービンブレード等と
して使用するに際して高温クリープ強度に問題がある。
金が開発されているが、これらはタービンブレード等と
して使用するに際して高温クリープ強度に問題がある。
一方、C,SiC等のセラミックスllNは耐熱性に優
れており、金属と複合化することにより、マトリックス
金属の高温強度、クリープ強度を大幅に改善することは
よく知られている。このようなセラミックス繊維をコア
部に配し、マトリックスとしてTiやN1等を用いた金
属基複合材料が高温強度に優れた材料として注目されて
いる。
れており、金属と複合化することにより、マトリックス
金属の高温強度、クリープ強度を大幅に改善することは
よく知られている。このようなセラミックス繊維をコア
部に配し、マトリックスとしてTiやN1等を用いた金
属基複合材料が高温強度に優れた材料として注目されて
いる。
第5図(A)〜(C)はこのような金属基複合材料の一
般的な製造方法を示している。
般的な製造方法を示している。
まず、C,S i C,Al103等のセラミックスJ
[1を所定の寸法、形状に配列する(第5図(A))。
[1を所定の寸法、形状に配列する(第5図(A))。
このセラミックス[tlを無機バインダ、有機バインダ
または金属等の結合剤2で固型化し、所定形状の繊1f
fの入ったプリシート3をつくる(第5図(B))。
または金属等の結合剤2で固型化し、所定形状の繊1f
fの入ったプリシート3をつくる(第5図(B))。
次に、このブリシート3と、マトリックス金属としての
金属粉4とを共に成形型5に挿入し、プレス装置6によ
って加圧するとともに、真空中または不活性ガス雰囲気
中でヒータ7によって加熱、焼結して複合化させる(第
5図(C))。
金属粉4とを共に成形型5に挿入し、プレス装置6によ
って加圧するとともに、真空中または不活性ガス雰囲気
中でヒータ7によって加熱、焼結して複合化させる(第
5図(C))。
その後、所定時間が経過したら、冷却工程を経て、成形
品として取出し、必要な熱処理、加工をjkシて金li
1基複合材料製品とする。
品として取出し、必要な熱処理、加工をjkシて金li
1基複合材料製品とする。
上記従来の方法で製造した金属基複合材料は、マトリッ
クス金属の強度を上界させるための熱処理時に、m雑方
向に割れが発生することが多い。
クス金属の強度を上界させるための熱処理時に、m雑方
向に割れが発生することが多い。
なお、熱処理を要しないマトリックス金属を用いた複合
材料の場合は、例えばタービンブレードとしての実機使
用時の熱サイクルを模擬した実験を行なったところ、非
常に低いサイクルで割れを生じることが多々認められた
。
材料の場合は、例えばタービンブレードとしての実機使
用時の熱サイクルを模擬した実験を行なったところ、非
常に低いサイクルで割れを生じることが多々認められた
。
このような割れの生じた試験片を詳細に調べた結果、割
れは、!lNとマトリックス金属との界面で発生してい
ることがわかった。即ち、金属の熱膨張係数が約10X
10−一/’Cであるのに対し、C,SiCなどのセ
ラミックスlIMの熱膨張係数は金属の1/4〜1/1
0程度しかない。そのため、温度変化が大きい場合には
、両者の熱膨張差が原因となって、界面に熱応力が生じ
、割れが発生するものである。
れは、!lNとマトリックス金属との界面で発生してい
ることがわかった。即ち、金属の熱膨張係数が約10X
10−一/’Cであるのに対し、C,SiCなどのセ
ラミックスlIMの熱膨張係数は金属の1/4〜1/1
0程度しかない。そのため、温度変化が大きい場合には
、両者の熱膨張差が原因となって、界面に熱応力が生じ
、割れが発生するものである。
本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、マ
トリックス金属と強化繊維との界面の熱応力低減を図り
、これにより高温強度、即ち耐熱疲労、耐熱衝撃特性の
優れた金属基複合材料を製造することができる耐熱性金
属基複合材料の製造方法を提供することを目的とする。
トリックス金属と強化繊維との界面の熱応力低減を図り
、これにより高温強度、即ち耐熱疲労、耐熱衝撃特性の
優れた金属基複合材料を製造することができる耐熱性金
属基複合材料の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、マトリックス金属と、このマトリックス金属
よりも耐熱強度の高い強化繊維とを高温下で複合化させ
て耐熱性金属基複合材料を製造する方法において、予め
前記マトリックス金属と強化繊維との中間の熱膨張係数
を有する物質からなる被覆層で前記強化繊維を覆い、そ
の被覆層で覆われた強化II維とマトリックス金属とを
複合化させることを特徴とする。
よりも耐熱強度の高い強化繊維とを高温下で複合化させ
て耐熱性金属基複合材料を製造する方法において、予め
前記マトリックス金属と強化繊維との中間の熱膨張係数
を有する物質からなる被覆層で前記強化繊維を覆い、そ
の被覆層で覆われた強化II維とマトリックス金属とを
複合化させることを特徴とする。
以下、本発明の一実施例を第1図〜第3図を参照して説
明する。
明する。
この実施例では、マトリックス金属として7iを用い、
強化繊維としてSiC長繊維を用い、熱応力を緩和する
ための被rfI層の材料としてSiCウィスカを混合し
たTi粉末を用いている。
強化繊維としてSiC長繊維を用い、熱応力を緩和する
ための被rfI層の材料としてSiCウィスカを混合し
たTi粉末を用いている。
まず、第1図(A)〜(D)によって耐熱性台a基複合
材料のgJJ造工程を説明する。
材料のgJJ造工程を説明する。
強化1alとして、多数のSiC長111[tllを所
定形状に配列し、その端部で固定する(第1図(A))
。
定形状に配列し、その端部で固定する(第1図(A))
。
次に、SiCウィスカを約50%含有する平均粒径が約
30μmのTi粉末12を、真空中または不活性ガス雰
囲気中で溶剤ノズル13からSiC長![f11上に溶
射し、第1の被覆層14aを形成する(第1図(B))
。
30μmのTi粉末12を、真空中または不活性ガス雰
囲気中で溶剤ノズル13からSiC長![f11上に溶
射し、第1の被覆層14aを形成する(第1図(B))
。
そして、第1の被覆層13が形成されたSiC長1ft
11に、上記同様の方法でSiCウィスカを約30%含
むTi粉末を吹付けて第2の被覆層14bを形成すると
ともに、さらにその上からSiCウィスカを約10%含
有するTi粉末を吹付けて第3の被覆ff14cを形成
してブリシート15をつくる(第1図(C))。
11に、上記同様の方法でSiCウィスカを約30%含
むTi粉末を吹付けて第2の被覆層14bを形成すると
ともに、さらにその上からSiCウィスカを約10%含
有するTi粉末を吹付けて第3の被覆ff14cを形成
してブリシート15をつくる(第1図(C))。
その後、ブリシート15を、マトリックス金属としての
Ti粉末16とともに成形型17に挿入し、プレス装置
18によって約150/(fff/C1iの圧力を加え
るとともに、真空中でヒータ19によって800〜90
0℃の温度で焼結させる(第1図(D))。
Ti粉末16とともに成形型17に挿入し、プレス装置
18によって約150/(fff/C1iの圧力を加え
るとともに、真空中でヒータ19によって800〜90
0℃の温度で焼結させる(第1図(D))。
このような方法により、第2図に拡大断面形状を示す耐
熱性金属基複合材料が成形される。この耐熱性金属基複
合材料について、マトリックス金f116と強化繊1t
11との界面に生じる熱応力を調べたところ、従来の方
法で製造した複合材料の熱応力の約1/2に低減するこ
とが認められた。
熱性金属基複合材料が成形される。この耐熱性金属基複
合材料について、マトリックス金f116と強化繊1t
11との界面に生じる熱応力を調べたところ、従来の方
法で製造した複合材料の熱応力の約1/2に低減するこ
とが認められた。
コ(7)ように、被覆層14a、14b、14cを形成
することにより、界面の熱応力が緩和される結果、耐熱
衝撃性および熱疲労特性が向上し、高温特性が優れた材
料が提供され、例えばタービンブレード等に適用した場
合、その耐用強度が向上するものである。
することにより、界面の熱応力が緩和される結果、耐熱
衝撃性および熱疲労特性が向上し、高温特性が優れた材
料が提供され、例えばタービンブレード等に適用した場
合、その耐用強度が向上するものである。
前記実施例の方法で製造した耐熱性金属基複合材料の場
合、熱応力緩和作用は、被覆材14a。
合、熱応力緩和作用は、被覆材14a。
14b、14cをマトリックス金属(Ti)16と強化
uA維(S i C) 11 トノ”11合材n (T
i +5iC)にすることにより得られている。つま
り被覆層14a、14b、14cの熱膨張係数がマトリ
ックス金属16と強化a!維11との中間的な値を有す
るものとなり、熱膨張差が界面で小さくなることに基づ
くものである。
uA維(S i C) 11 トノ”11合材n (T
i +5iC)にすることにより得られている。つま
り被覆層14a、14b、14cの熱膨張係数がマトリ
ックス金属16と強化a!維11との中間的な値を有す
るものとなり、熱膨張差が界面で小さくなることに基づ
くものである。
ココテ被覆層14a、14b、14cを重合層構造とし
て、各層のSiCウィスカ体積率を強化[ff1l側か
らマトリックス金属側に50%、30%、10%と段階
的に減少させたのは、次の知見に基づく。即ち、第3図
の曲線Aは、Ti基基金合材しての被覆層におけるSi
Cウィスカの体積率と熱膨張係数との関係を示したもの
である。
て、各層のSiCウィスカ体積率を強化[ff1l側か
らマトリックス金属側に50%、30%、10%と段階
的に減少させたのは、次の知見に基づく。即ち、第3図
の曲線Aは、Ti基基金合材しての被覆層におけるSi
Cウィスカの体積率と熱膨張係数との関係を示したもの
である。
この曲線Aから明らかなように、SiCウィスカの体積
率の増加に伴い、被覆層の熱膨張係数が略直線的に減少
する。逆にいえば、被覆層の熱膨張係数はTiff1に
比例して増大する関係にある。このことから、被覆層の
熱膨張係数を強化繊維側からマトリックス金属側へ次第
に大きくなるように変化させ、熱応力を各層毎に段階的
に緩和するようにしたものである。
率の増加に伴い、被覆層の熱膨張係数が略直線的に減少
する。逆にいえば、被覆層の熱膨張係数はTiff1に
比例して増大する関係にある。このことから、被覆層の
熱膨張係数を強化繊維側からマトリックス金属側へ次第
に大きくなるように変化させ、熱応力を各層毎に段階的
に緩和するようにしたものである。
金BH複合材料製品の使用時の温度変化が広範囲に亘る
場合など、単一の被覆層では熱応力緩和作用を十分発揮
できない事態が考えられるが、前記実施例の如く、重合
層状の被f[714a、14b、14cを形成すればそ
のような事態に十分対処することができる。要するに、
被覆層は強化繊Iff(長繊維)に近い層はどSiCウ
ィスカの体積率を大きくし、熱膨張係数を小さくしであ
ることにより、強化繊維とマトリックス金属との界面に
生じる熱応力を低減することができる。
場合など、単一の被覆層では熱応力緩和作用を十分発揮
できない事態が考えられるが、前記実施例の如く、重合
層状の被f[714a、14b、14cを形成すればそ
のような事態に十分対処することができる。要するに、
被覆層は強化繊Iff(長繊維)に近い層はどSiCウ
ィスカの体積率を大きくし、熱膨張係数を小さくしであ
ることにより、強化繊維とマトリックス金属との界面に
生じる熱応力を低減することができる。
なお、前記実施例では被′rr1層を重合層状に形成し
たが、必ずしも層区分を設けなくてら、被覆層構成物質
としてのSiCウィスカの体積率を一層の被覆層内でそ
の厚さ方向に次第に異ならせるようにしてもよい。これ
により、被覆層の熱膨張係数を連続的に変化さければ、
より望ましい熱応力緩和作用を得ることが可能となる。
たが、必ずしも層区分を設けなくてら、被覆層構成物質
としてのSiCウィスカの体積率を一層の被覆層内でそ
の厚さ方向に次第に異ならせるようにしてもよい。これ
により、被覆層の熱膨張係数を連続的に変化さければ、
より望ましい熱応力緩和作用を得ることが可能となる。
このように、被で層の形態は、マトリックス金属と強化
繊維との熱膨張差おJ:び製品の使用温度条件に応じて
、適宜設定することかできる。
繊維との熱膨張差おJ:び製品の使用温度条件に応じて
、適宜設定することかできる。
なお、第3図の曲線Bは、被″m層としてNiとSiC
ウィスカとの複合材料を使用する場合、そのSiCウィ
スカの体積率と熱膨張係数との関係を例示したものであ
る。このようにTi以外の被蕾層構成用金属の場合も前
記実施例と同様の傾向が表われる。また、図示しないが
、SiCウィスカ以外のセラミックス短繊維や粒子、例
えばグラフフィト等のカーボン材を使用して被覆層を形
成する場合についても、第3図と同様の傾向が認められ
た。なお、カーボン材使用の場合は、SiCよりも熱膨
張係数が小さいことから、少ない添加量で大きい熱応力
緩和機能が得られる。
ウィスカとの複合材料を使用する場合、そのSiCウィ
スカの体積率と熱膨張係数との関係を例示したものであ
る。このようにTi以外の被蕾層構成用金属の場合も前
記実施例と同様の傾向が表われる。また、図示しないが
、SiCウィスカ以外のセラミックス短繊維や粒子、例
えばグラフフィト等のカーボン材を使用して被覆層を形
成する場合についても、第3図と同様の傾向が認められ
た。なお、カーボン材使用の場合は、SiCよりも熱膨
張係数が小さいことから、少ない添加量で大きい熱応力
緩和機能が得られる。
また、強化繊維群への被覆層形成は浸漬等種々の方法も
考えられるが、前記実施例の如く吹付は成形によりブリ
シートをつくる方法によれば、繊紺配列随持等が容易で
、所定形状の複合材製造が簡便、確実に行なえる。
考えられるが、前記実施例の如く吹付は成形によりブリ
シートをつくる方法によれば、繊紺配列随持等が容易で
、所定形状の複合材製造が簡便、確実に行なえる。
なお、被覆層に要求される特性として、熱膨張係数以外
に高温強度が高く、マトリックス金属と強化IJ[との
結合性、濡れ性のよいことなどが挙げられる。Ti、N
i等のマトリックス金属とSiC等の強化繊維との複合
材料の製造に対し、これらと同質の物質を要素とする複
合材、即ち3iCウイスカ等とTi、Ni等とを複合化
した被覆層を形成する前記実施例によれば、上記の各特
性も十分に備えたものとすることができる。
に高温強度が高く、マトリックス金属と強化IJ[との
結合性、濡れ性のよいことなどが挙げられる。Ti、N
i等のマトリックス金属とSiC等の強化繊維との複合
材料の製造に対し、これらと同質の物質を要素とする複
合材、即ち3iCウイスカ等とTi、Ni等とを複合化
した被覆層を形成する前記実施例によれば、上記の各特
性も十分に備えたものとすることができる。
第4図は本発明の他の実施例を示している。この実施例
においても、使用材料、ブリシート20の形成工程およ
びブリシート20とマトリックス金[21との複合化工
程等は前記実施例と略同様である。但し、この実施例で
はブリシート20の被覆層の形成を前記実施例の第1、
第2層までどする。一方、マトリックス金属は金属単体
でなく、前記実施例の第3被覆層と同様のSiCウィス
カ含有の複合物とする。即ち、マトリックス金属21の
材料としてSiCウィスカ混入のT1粉末を使用し、ブ
リシート20とともに成形型17内で複合化するもので
ある。
においても、使用材料、ブリシート20の形成工程およ
びブリシート20とマトリックス金[21との複合化工
程等は前記実施例と略同様である。但し、この実施例で
はブリシート20の被覆層の形成を前記実施例の第1、
第2層までどする。一方、マトリックス金属は金属単体
でなく、前記実施例の第3被覆層と同様のSiCウィス
カ含有の複合物とする。即ち、マトリックス金属21の
材料としてSiCウィスカ混入のT1粉末を使用し、ブ
リシート20とともに成形型17内で複合化するもので
ある。
このような方法で製造した耐熱性台fl基複合材料にお
いても、前記実施例と同様に、マトリックス金属21と
強化繊維20との界面での熱応力緩和ひいては割れの発
生防止が図れるものである。
いても、前記実施例と同様に、マトリックス金属21と
強化繊維20との界面での熱応力緩和ひいては割れの発
生防止が図れるものである。
以上のように、本発明によれば、強化raMを予め被覆
層で覆い、その被覆層として強化繊維とマトリックス金
属との中間の熱膨張係数を存する物質を使用することに
より、¥lJ造される複合材料の強化IAMとマトリッ
クス金属との界面熱応力が緩和され、高温下での割れの
発生防止が図られる。
層で覆い、その被覆層として強化繊維とマトリックス金
属との中間の熱膨張係数を存する物質を使用することに
より、¥lJ造される複合材料の強化IAMとマトリッ
クス金属との界面熱応力が緩和され、高温下での割れの
発生防止が図られる。
したがって、金属基複合材料の耐熱疲労、耐熱衝撃性が
一層向上して、タービンブレード等の高温機器への利用
が極めて有効に図れるようになる。
一層向上して、タービンブレード等の高温機器への利用
が極めて有効に図れるようになる。
第1図(△)〜(D)は本発明に係る耐熱性台hrS(
を複合材料の製造方法の一実施例を示す工程図、第2図
は製品の一部を示す拡大断面図、第3図は被覆層の材料
特性を示す゛特性線図、第4図は本発明の他の実施例の
一工程を示す説明図、第5図(△)〜(C)は従来の製
造方法を示す工程図である。 1・・・強化繊維、14a、14b、 14cm・・被
覆層、15.20・・・ブリシート、16.21・・・
マトリックス金属。 出願人代理人 波 多 野 久(D) 第1図 手2図 L 5tCウイスカ イ本;T1 (’/)$3 図
を複合材料の製造方法の一実施例を示す工程図、第2図
は製品の一部を示す拡大断面図、第3図は被覆層の材料
特性を示す゛特性線図、第4図は本発明の他の実施例の
一工程を示す説明図、第5図(△)〜(C)は従来の製
造方法を示す工程図である。 1・・・強化繊維、14a、14b、 14cm・・被
覆層、15.20・・・ブリシート、16.21・・・
マトリックス金属。 出願人代理人 波 多 野 久(D) 第1図 手2図 L 5tCウイスカ イ本;T1 (’/)$3 図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、マトリックス金属と、このマトリックス金属よりも
耐熱強度の高い強化繊維とを高温下で複合化させて耐熱
性金属基複合材料を製造する方法において、予め前記マ
トリックス金属と強化繊維との中間の熱膨張係数を有す
る物質からなる被覆層で前記強化繊維を覆い、その被覆
層で覆われた強化繊維とマトリックス金属とを複合化さ
せることを特徴とする耐熱性金属基複合材料の製造方法
。 2、シート状に配列した強化繊維群に被覆向を吹付け成
形してブリシートをつくり、このブリシートとマトリッ
クス金属とを複合化する特許請求の範囲第1項記載の耐
熱性金属基複合材料の製造方法。 3、被覆層の構成物質として、短繊維、ウィスカまたは
粉末セラミックス粒子のいずれか1つ以上を金属に混合
または複合化させたものを使用する特許請求の範囲第1
項記載の耐熱性金属基複合材料の製造方法。 4、被覆層の構成物質の体積率をその被覆層の厚さ方向
に異ならせ、または被覆層を重合層状に形成して各層の
構成物質の体積率を異ならせ、それにより被覆層の熱膨
張係数を強化繊維側からマトリックス金属側に連続的に
または段階的に変化させる特許請求の範囲第3項記載の
耐熱性金属基複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP808386A JPS62167830A (ja) | 1986-01-20 | 1986-01-20 | 耐熱性金属基複合材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP808386A JPS62167830A (ja) | 1986-01-20 | 1986-01-20 | 耐熱性金属基複合材料の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62167830A true JPS62167830A (ja) | 1987-07-24 |
Family
ID=11683437
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP808386A Pending JPS62167830A (ja) | 1986-01-20 | 1986-01-20 | 耐熱性金属基複合材料の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS62167830A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01111830A (ja) * | 1987-10-23 | 1989-04-28 | Toyota Motor Corp | 繊維強化金属複合材料の製造方法 |
JPH04224198A (ja) * | 1990-12-26 | 1992-08-13 | Tokai Carbon Co Ltd | Mmc用プリフォームの製造方法 |
JP2011508083A (ja) * | 2007-12-28 | 2011-03-10 | メシエ−ドウテイ・エス・アー | 金属マトリクス複合材料からなるインサートで部品を作製する方法 |
-
1986
- 1986-01-20 JP JP808386A patent/JPS62167830A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01111830A (ja) * | 1987-10-23 | 1989-04-28 | Toyota Motor Corp | 繊維強化金属複合材料の製造方法 |
JPH04224198A (ja) * | 1990-12-26 | 1992-08-13 | Tokai Carbon Co Ltd | Mmc用プリフォームの製造方法 |
JP2011508083A (ja) * | 2007-12-28 | 2011-03-10 | メシエ−ドウテイ・エス・アー | 金属マトリクス複合材料からなるインサートで部品を作製する方法 |
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