CN110508735B - 一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法，属于等温锻造技术领域，所述方法包括以下步骤：采用包套对碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭进行包覆，得到包覆坯料；将包覆坯料进行近等温多向锻造，所述近等温多向锻造包括依次进行的归方多向锻造和归方后的多向锻造；所述归方多向锻造每个方向的初始道次压下量独立地为25～40％；针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0～15％；所述归方后的多向锻造每个方向的初始道次压下量独立地为25～35％；针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0～15％。采用上述方法，避免了铝基复合材料自由锻的开裂问题，提高了复合材料的抗拉强度和断裂延伸率。

Description

一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法

技术领域

本发明涉及等温锻造技术领域，尤其涉及一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法。

背景技术

结构轻量化是制造业的长期需求，而轻金属和复合材料具有较高的比强度，可以在相同强度要求下大大减小构件截面积和重量，从而提高效率，节约资源，降低能耗与污染。由于铝合金强度(特别是热强度)和弹性模量偏低，而且热膨胀系数较大，使得其应用受限。碳化硅晶须增强铝基复合材料的比强度、比模量、耐磨损、抗疲劳和热稳定性能较铝合金都有较大提高，在航空航天、武器装备领域具有重要的应用前景。

现有的直接制造工艺如搅拌铸造法、压力铸造法、粉未冶金法等均难以一次性获得外形尺寸与机械性能等都合乎要求的铝基复合材料构件，特别是对延性要求较高的产品。为了降低生产成本，提高效率与使用性能，一般是通过挤压铸造制出碳化硅晶须增强铝基复合材料的铸锭后，再通过塑性变形、机加工及焊接等二次加工方法获得最终直接应用的零件、型材等。在铸态铝基复合材料二次加工方法当中，热塑性变形可以锻合疏松、孔洞等铸造缺陷，细化晶粒，均化组织(使晶须、析出相和夹杂等弥散分布)，从而提高材料性能，是很重要且应用最广的二次加工方法。但是由于挤压铸造的碳化硅晶须增强铝基复合材料存在孔隙、疏松、偏析及夹杂等缺陷，塑性较差，采用热塑性变形在锻造过程中极易开裂，制约了其在航空航天、武器装备等高性能关键承力构件方面的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法，可解决碳化硅晶须增强铸态铝基复合材料锻造过程的开裂问题，同时提高材料的强度和塑性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法，包括以下步骤：

采用包套对碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭进行包覆，得到包覆坯料；

将所述包覆坯料进行近等温多向锻造，所述近等温多向锻造包括依次进行的归方多向锻造和归方后的多向锻造；

所述归方多向锻造过程中，每个方向的初始道次压下量独立地为25～40％；针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0～15％；

所述归方后的多向锻造过程中，每个方向的初始道次压下量独立地为25～35％；针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0～15％。

优选的，所述包套的厚度为5～20mm。

优选的，所述包套的材质与制备碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭时采用的铝基材料的材质相同。

优选的，当所述碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭为圆柱体时，所述归方多向锻造包括：

(1)沿着包覆坯料的轴向进行镦粗后，依次对两个互相垂直的径向进行镦粗；(2)重复所述步骤(1)0～2次；

或(i)沿着包覆坯料的第一径向进行镦粗后，依次对第二径向和轴向进行镦粗；所述第一径向和第二径向互相垂直；(ii)重复所述步骤(i)0～2次；

优选的，对所述包覆坯料进行归方多向锻造过程中，每个方向的首次镦粗压下量独立地为25～35％，重复镦粗过程中对相同面的压下量独立地依次递增0～6％。

优选的，所述归方后的多向锻造包括：(a)对归方锻造后得到的包覆坯料中三个互相垂直的面依次进行镦粗；(b)重复所述步骤(a)1～2次。

优选的，所述归方后的多向锻造过程中，对三个互相垂直的面的首次镦粗压下量独立地为25～30％，后续重复镦粗过程中对相同面的压下量独立地依次递增0～6％。

优选的，所述近等温多向锻造的累积名义应变为1.5～3.5。

优选的，所述近等温多向锻造采用的设备为压力机，所述压力机上砧的压下速率为5～15mm/s。

优选的，所述近等温多向锻造前，将压力机的上下砧加热至比包覆坯料的温度低0～20℃。

本发明提供了一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法，包括以下步骤：采用包套对碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭进行包覆，得到包覆坯料；将所述包覆坯料进行近等温多向锻造，所述近等温多向锻造包括依次进行的归方多向锻造和归方后的多向锻造；所述归方多向锻造过程中，每个方向的初始道次压下量独立地为25～40％，且针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0～15％；所述归方后的多向锻造过程中，每个方向的初始道次压下量独立地为25～35％，且针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0～15％。

本发明采用包套对碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭进行包覆，然后进行近等温多向锻造，使复合材料表面受到压应力而非拉应力，导致裂纹无法扩展开来，能有效减小复合材料表面纵向开裂的可能，避免了铝基复合材料自由锻的开裂问题；通过近等温锻造，避免了因温度降低，导致坯料温度不均，变形流动不均匀而导致的坯料性能下降；通过控制初始道次压下量以及后续道次压下增量，避免了因为道次变形量太大导致开裂，同时使晶须增强相破碎，且随基体变形流动弥散分布，进而提高了铝基复合材料的抗拉强度和断裂延伸率。

实施例结果表明，经本发明所述方法锻造后，碳化硅晶须增强铝基复合材料无裂纹出现，在常温下的抗拉强度超过270MPa，断裂延伸率大于5％，而锻造前，碳化硅晶须增强铝基复合材料在常温下的抗拉强度为173MPa，断裂延伸率为1％，说明锻造后碳化硅晶须增强铝基复合材料的强度和塑性明显提高。

附图说明

图1为本发明进行归方多向锻造的示意图；

图2为本发明进行归方后的多向锻造示意图；

图3为本发明实施例1～2的碳化硅晶须增强铝基复合材料锻前锻后照片；

图4为本发明实施例1～2的碳化硅晶须增强铝基复合材料锻前锻后的力学性能测试图。

具体实施方式

本发明提供了一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法，包括以下步骤：

采用包套对碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭进行包覆，得到包覆坯料；

将所述包覆坯料进行近等温多向锻造，所述近等温多向锻造包括依次进行的归方多向锻造和归方后的多向锻造；

所述归方多向锻造每个方向的初始道次压下量独立地为25～40％；针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0～15％；

所述归方后的多向锻造每个方向的初始道次压下量独立地为25～35％；针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0～15％。

本发明采用包套对碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭进行包覆，得到包覆坯料。

在本发明中，所述碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭优选由碳化硅晶须和铝基材料复合制备得到。本发明对所述碳化硅晶须的尺寸没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的尺寸即可。本发明对所述铝基材料的组成没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知组成的铝基材料即可。本发明对所述碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭的制备方法没有特殊要求，采用本领域技术人员公知的制备方法得到即可，本发明优选通过挤压铸造工艺得到。在本发明的具体实施例中，所述碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭采用以下方法制备得到：对晶须预制体进行预热，然后浇铸铝合金熔液(即铝基材料熔液)，在一定压力下保压一定时间，得到碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭。在本发明中，所述晶须预制体采用本领域公知的方法制备得到。在本发明中，所述预热的温度优选为450～500℃；所述保压的压力优选为40～50MPa，保压的时间优选为30～50min。在本发明中，所述碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭的形状优选为圆柱形。本发明对所述铸锭的尺寸没有特殊要求。

在本发明中，所述包套的材质优选与制备碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭时采用的铝基材料的材质相同。本发明通过保持二者的材质相同，便于包套与里面的复合材料一起变形，防止材质相差过大，导致变形不均匀；而且包套材质选用复合材料中的铝基材料，能够保证包套的强度和塑性会高于里面的铝基复合材料，使里面的铝基复合材料变形受到外面包套的阻碍，避免纵向裂纹。

在本发明中，所述包套的厚度优选为5～20mm，进一步优选为8～15mm。本发明将包套厚度控制在上述范围，有利于包套与铝基复合材料协调变形。

本发明对所述包覆的实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的包覆方式即可。在本发明中，所述包覆优选包括：将碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭与两端开口的环形包套进行过盈配合，然后采用圆板坯将环形包套的两端开口进行密封。在本发明中，所述过盈配合的程度优选为碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭的直径比环形包套的直径大0.04～0.06mm。本发明对所述过盈配合的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域公知的实施方式即可。在本发明中，所述圆板坯的尺寸优选与环形包套开口的尺寸相同。本发明优选采用焊接的方式对两端开口进行密封。密封之后，两端的圆板坯与环形包套形成完整的密封包套，将碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭包覆在其中，碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭与环形包套和圆板坯紧密接触。在本发明中，由于圆板坯和环形包套均属于包套的一部分，因此，二者的材质是相同的。

得到包覆坯料之后，本发明将所述包覆坯料进行近等温多向锻造，所述近等温多向锻造包括依次进行的归方多向锻造和归方后的多向锻造。

在本发明中，所述近等温多向锻造指的是在近等温状态下进行的多向锻造；所述近等温指的是包覆坯料的温度和与包覆坯料接触的压制件的温度近似相等。

本发明优选采用压力机对包覆坯料进行近等温多向锻造，所述压力机上砧的压下速率优选为5～15mm/s，锻造过程中下砧优选固定不动。

所述近等温多向锻造前，本发明优选将压力机的上下砧加热至比包覆坯料的温度低0～20℃，更优选低0～10℃。在本发明中，所述包覆坯料的温度优选为420～480℃，包覆坯料到达指定温度后的保温时间优选为60～150min，进一步优选为80～120min。本发明对所述包覆坯料和上下砧的加热方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的加热方式即可。由于包覆坯料加热后被转移至上下砧之间进行锻造，转移过程会有部分热量散失，为了保持包覆坯料的温度与上下砧温度尽量一致，所以将包覆坯料的温度设置的较上下砧温度高0～20℃。

由于上砧压下速度较快，在所述包覆坯料的温度明显下降前，就可达到目标压下量，因此能够在短时间内完成锻造过程且确保在锻造过程中上下砧的温度与坯料温度大致相同。本发明采用近等温的锻造方式，避免了因温度降低，导致坯料温度不均，变形流动不均匀而导致的坯料性能下降。

得到包覆坯料后，本发明对所述包覆坯料进行归方多向锻造，得到归方后的包覆坯料。

在发明中，当所述碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭为圆柱体时，所述归方多向锻造优选包括：(1)沿着包覆坯料的轴向进行镦粗后，依次对两个互相垂直的径向进行镦粗；(2)重复所述步骤(1)0～2次；

或(i)沿着包覆坯料的第一径向进行镦粗后，依次对第二径向和轴向进行镦粗；所述第一径向和第二径向互相垂直；(ii)重复所述步骤(i)0～2次。

在本发明中，所述归方多向锻造过程中，每个方向的首次镦粗压下量独立地为25～40％，优选为25～35％；针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0～15％，优选为0～6％，进一步优选为2～5％。

作为本发明优选的一种归方多向锻造方式，如图1所示，本发明首先沿着包覆坯料的轴向进行镦粗，箭头P表示上砧压力的施加方向，沿轴向的压下量优选为25～35％，然后沿箭头将坯料翻转90°，对垂直于上道次镦粗方向的径向进行镦粗，沿镦粗方向的压下量优选为25～35％，将坯料翻转90°，继续沿径向进行镦粗，镦粗方向的压下量优选为25～35％。本发明重复上述操作0～2次，但不同的是，锻造过程中，后续道次对相同面的压下量依次独立地递增0～15％，以使包覆坯料发生均匀形变。

当包覆坯料的尺寸较小时，一般只需经过一个循环，就能取得很好的归方效果。

本发明所述归方多向锻造初始压下量选择较大，通过大的变形量使含孔洞的铸态组织充分致密，提高其后续变形能力，并使铝基复合材料强化。

得到归方后的包覆坯料后，本发明对所述归方后的包覆坯料进行归方后的多向锻造。

在本发明中，所述归方后的多向锻造包括：(a)对归方锻造后得到的包覆坯料中三个互相垂直的面依次进行镦粗；(b)重复所述步骤(a)1～2次。

在本发明中，所述归方后的多向锻造过程中，每个面的首次镦粗压下量独立地为25～35％，优选为25～30％，后续重复镦粗过程中对相同面的压下量独立地依次递增0～15％，优选为0～6％，进一步优选为2～5％。

如图2所示，A面、B面和C面分别为归方锻造后包覆坯料中互相垂直的三个面，箭头P表示上砧压力的施加方向，本发明首先对B面进行镦粗，镦粗方向的压下量优选为25～30％，然后翻转90°，本发明对A面进行镦粗，镦粗方向的压下量优选为25～30％，然后继续翻转90°，对C面进行镦粗，镦粗方向的压下量优选为25～30％；重复上述镦粗过程1～2次，不同的是，在后续的镦粗过程中，对相同面的压下量独立地依次递增0～15％。

本发明通过归方多向锻造使铸态坯料锻透后，后续在进行归方后的多向锻造过程中，将归方后的多向锻造压下量减小，防止其因为变形量太大而导致开裂，借由一定的增量锻造道次数，使得晶须相均匀弥散，孔洞进一步致密，达到强韧化效果。

本发明通过控制归方多向锻造和归方后多向锻造的初始道次压下量以及后续道次压下增量，避免了因为道次变形量太大导致开裂，同时使晶须增强相破碎，且随基体变形流动弥散分布，进而提高了铝基复合材料的抗拉强度和断裂延伸率。

在本发明中，所述等温多向锻造的累积名义应变优选为1.5～3.5，进一步优选为2～3。本发明所述累积名义应变指的是每道次压下量的累积之和。本发明所述每道次压下量指的是相对于当次压下之前而言的压下量。本发明通过控制累积名义应变以及每道次的压下量来控制锻造的次数。

下面结合实施例对本发明提供的碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

碳化硅晶须增强铝合金复合材料铸锭的制备

采用挤压铸造工艺，先在480℃预热晶须预制体，再浇铸6061铝合金熔液，在45MPa下保压40min而成。

6061铝合金成分：Al含量95.85～97.36wt.％，Mg含量0.80～1.2wt.％，Si含量0.40～0.80wt.％，Fe含量0.70wt.％，Cu含量0.04～0.35wt.％，Zn含量0.25wt.％，Mn含量0.15wt.％，Ti含量0.15wt.％，Cr含量0.04～0.35wt.％，其他≤0.15wt.％。

实施例1～3均采用上述碳化硅晶须增强铝合金复合材料铸锭。

实施例1

(1)制坯：将挤压铸造碳化硅晶须增强铝合金复合材料铸锭(铝基体为6061铝合金)和12mm厚度的6061铝合金环形包套进行过盈配合，并在上下两端焊接6061铝合金圆形板，制得直径为159mm高度为154mm的包覆坯料；

(2)将包覆坯料放入箱式电阻炉中预热，加热到455℃并保温90min，上下砧加热到440℃，上砧压下速率为10mm/s；将加热好的圆柱坯料放入下砧后，采用上砧和下砧进行多向锻造，如图1所示，首先沿着圆柱铸锭轴向进行镦粗，压力量为30％，然后依次沿着相互垂直的两个径向进行镦粗，压下量分别为25％；将圆柱归成长方体坯料后继续3个循环的多向锻造，三道次为一循环，如图2所示，第一次多向锻造，C面、A面和B面压下量为25％，第二次C面压下量为25％，A面和B面压下量为27％，第三次C面、A面和B面的压下量都为30％，当总的累积名义应变达到3.24，停止锻造，制得145×145×145mm的碳化硅晶须增强铝基复合材料锻坯；

(3)冷却：将锻坯取出，空冷至室温；

(4)机加工：采用加工的方法将外面包裹的包套切除，获得135×135×135mm的碳化硅晶须增强铝基复合材料。

实施例2

(1)制坯：将挤压铸造碳化硅晶须增强铝合金复合材料铸锭(与实施例1相同)和10mm厚度的6061铝合金包套进行过盈配合，并在上下两端焊接6061铝合金圆形板，制得直径为155mm高度为150mm的铝基复合材料包覆坯料；

(2)将包覆坯料放入箱式电阻炉中，加热到455℃并保温90min，压力机上下砧加热到440℃，上砧压下速率为10mm/s；将加热好的圆柱坯料放入下砧后，采用上砧和下砧进行多向锻造，如图1所示，首先沿着圆柱铸锭轴向进行镦粗，压力量为35％，然后依次沿着相互垂直的两个径向进行镦粗，压下量为30％；将圆柱归成长方体坯料后继续2次多向锻造，如图2所示，三道次为一循环，第一次多向锻造，C面、A面和B面压下量都为25％，第二次C面压下量为25％、A面和B面都为30％，当总的名义等效应变达到2.55，停止锻造，制得140×140×144mm的方块碳化硅晶须增强铝基复合材料锻坯；

(3)冷却：将锻坯取出，空冷至室温；

(4)机加工：采用加工的方法将外面包裹的包套切除，获得130×130×135mm的碳化硅晶须增强铝基复合材料。

对实施例1和实施例2锻前锻后的碳化硅晶须增强铝基复合材料坯料进行观察，如图3所示，图3a)为锻前圆柱坯料，图3a)中左侧图为实施例1，右侧图为实施例2，图3b)为锻后方块坯料，图3b)中左图为实施例1，右图为实施例2；照片显示锻后坯料无裂纹出现。

对实施例1和实施例2中锻前以及锻后的碳化硅晶须增强铝基复合材料取样进行拉伸实验测试其力学性能，结果如图4所示，图4显示锻前断裂延伸率1％，抗拉强度173MPa；锻后实施例1断裂延伸率为5.4％，抗拉强度为273MPa；锻后实施例2断裂延伸率为7％，抗拉强度为284MPa；说明经本发明所述方法锻造后，碳化硅晶须增强铝基复合材料的强度和韧性均有所提高。

实施例3

(1)制坯：将挤压铸造碳化硅晶须增强铝合金复合材料铸锭(与实施例1相同)和8mm厚度的6061铝合金包套进行过盈配合，并在上下两端焊接6061铝合金圆形板，制得直径为151mm高度为146mm的铝基复合材料包覆坯料；

(2)将包覆坯料放入箱式电阻炉中，加热到460℃并保温90min，压力机上下砧加热到450℃，上砧压下速率为8mm/s；将加热好的圆柱坯料放入下砧后，采用上砧和下砧进行多向锻造，首先沿着圆柱铸锭的第一径向进行镦粗，压力量为35％，然后沿着与第一径向垂直的第二径向进行镦粗，压下量为25％，最后沿轴向进行镦粗，压下量为25％；将圆柱归成长方体坯料后继续2次多向锻造，如图2所示，三道次为一循环，第一次多向锻造，C面、A面和B面压下量依次为25％、30％和30％，第二次C面压下量为40％、A面的压下量为35％、B面压下量为35％，当总的名义等效应变达到2.8，停止锻造，制得140×140×135mm的方块碳化硅晶须增强铝基复合材料锻坯；

(3)冷却：将锻坯取出，空冷至室温；

(4)机加工：采用加工的方法将外面包裹的包套切除，获得132×132×127mm的碳化硅晶须增强铝基复合材料。

对实施例3锻后的碳化硅晶须增强铝基复合材料取样进行拉伸实验测试其力学性能，结果显示锻后断裂延伸率为6％，抗拉强度为276MPa；说明经本发明所述方法锻造后，碳化硅晶须增强铝基复合材料的强度和韧性均有所提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法，包括以下步骤：

采用包套对碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭进行包覆，得到包覆坯料；所述碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭的周向和上下均被包套包覆；

将所述包覆坯料进行近等温多向锻造，所述近等温多向锻造包括依次进行的归方多向锻造和归方后的多向锻造；

所述归方多向锻造过程中，每个方向的初始道次压下量独立地为25~40%；针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0~15%；

所述归方后的多向锻造过程中，每个方向的初始道次压下量独立地为25~35%；针对相同面的锻造，后续道次压下量依次独立地递增0~15%。

2.根据权利要求1所述的增量约束多向锻造方法，其特征在于，所述包套的厚度为5~20mm。

3.根据权利要求1或2所述的增量约束多向锻造方法，其特征在于，所述包套的材质与制备碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭时采用的铝基材料的材质相同。

4.根据权利要求1所述的增量约束多向锻造方法，其特征在于，当所述碳化硅晶须增强铝基复合材料铸锭为圆柱体时，所述归方多向锻造包括：

（1）沿着包覆坯料的轴向进行镦粗后，依次对两个互相垂直的径向进行镦粗；（2）重复所述步骤（1）0~2次；

或（i）沿着包覆坯料的第一径向进行镦粗后，依次对第二径向和轴向进行镦粗；所述第一径向和第二径向互相垂直；（ii）重复所述步骤（i）0~2次。

5.根据权利要求1或4所述的增量约束多向锻造方法，其特征在于，对所述包覆坯料进行归方多向锻造过程中，每个方向的首次镦粗压下量独立地为25~35%，重复镦粗过程中对相同面的压下量独立地依次递增0~6%。

6.根据权利要求1所述的增量约束多向锻造方法，其特征在于，所述归方后的多向锻造包括：（a）对归方锻造后得到的包覆坯料中三个互相垂直的面依次进行镦粗；（b）重复所述步骤（a）1~2次。

7.根据权利要求1或6所述的增量约束多向锻造方法，其特征在于，所述归方后的多向锻造过程中，对三个互相垂直的面的首次镦粗压下量独立地为25~30%，后续重复镦粗过程中对相同面的压下量独立地依次递增0~6%。

8.根据权利要求1所述的增量约束多向锻造方法，其特征在于，所述近等温多向锻造的累积名义应变为1.5~3.5。

9.根据权利要求1或8所述的增量约束多向锻造方法，其特征在于，所述近等温多向锻造采用的设备为压力机，所述压力机上砧的压下速率为5~15mm/s。

10.根据权利要求9所述的增量约束多向锻造方法，其特征在于，所述近等温多向锻造前，将压力机的上下砧加热至比包覆坯料的温度低0~20℃。

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