1、引言

水中兵器、水下機(jī)器人、水下（蛙人）輸送器、載人深潛器等新型水下航行器可以用于探測水下環(huán)境、布放水中兵器、進(jìn)行水下爆破以及追蹤敵方艦艇、航母、潛艇等目標(biāo)，具有重大應(yīng)用價值 ［1 －2］ 。 鈦?zhàn)鳛橐环N金屬元素，雖然早在 18 世紀(jì)就以含鈦礦物的形式在英格蘭康沃爾郡被發(fā)現(xiàn)，但其早期的工業(yè)化進(jìn)程卻相對緩慢。 進(jìn)入 20 世紀(jì)，從 1908 年，美國和挪威用硫酸法生產(chǎn)鈦白，到 1910 年，鈉法制海綿鈦首次在實(shí)驗(yàn)室得到應(yīng)用并獲得成功，都只是鈦的小批量制取。 而到了1948 年，成噸生產(chǎn)海綿鈦的鎂法制鈦工藝首次在美國杜邦公司得到應(yīng)用，這才標(biāo)志著鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。 鈦的密度為4.51g/cm³ ，僅為鐵的 57.4％。 以 Ｔｉ?6Ａｌ?4Ｖ 為代表的常用鈦合金強(qiáng)度很高，能夠達(dá)到普通高強(qiáng)度鋼的水平，還有其他類型鈦合金具備更高的強(qiáng)度 ［3］ 。 鈦及其合金由于密度小、強(qiáng)度高、具有較高的比強(qiáng)度以及其兼具耐腐蝕、無磁、透聲、低溫性能好、抗沖擊振動、可加工性好等綜合性能特點(diǎn)，受到了世界各國材料界和軍方的關(guān)注 ［4］ ，在航空、航天、船舶、汽車等行業(yè)已經(jīng)開始得到了應(yīng)用 ［5－7］ 。 憑借其優(yōu)異的綜合性能，鈦合金在水中兵器、水下機(jī)器人、水下深潛器、水下直升機(jī)等新型水下航行器上也有著較好的應(yīng)用前景，特別是在大潛深時，鈦合金的優(yōu)勢更加明顯。 本文基于水下航行器用鈦合金的物理力學(xué)特性，概述了國內(nèi)外水下航行器用鈦合金的研究和應(yīng)用進(jìn)展，討論了今后水下航行器應(yīng)用鈦合金的技術(shù)發(fā)展方向，為鈦合金在新型水下航行器上的應(yīng)用提供理論和技術(shù)參考。

2、水下航行器用鈦合金發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

水下航行器用鈦合金主要是從艦船（艇）用鈦合金發(fā)展而來，到目前為止，世界上只有美國、俄羅斯等少數(shù)海洋大國，以及中國進(jìn)行專門的水下、水面航行器用鈦合金研究，并

各自形成鈦合金體系 ［8 －10］ 。 俄羅斯憑借前蘇聯(lián)時期的金屬材料工業(yè)基礎(chǔ)，在艦船（艇）用鈦合金方面的研究、應(yīng)用水平穩(wěn)居世界前列，擁有 785ＭＰａ、686 ＭＰａ、580 ＭＰａ、490 ＭＰａ 強(qiáng)度等級的系列船用鈦合金。 

為便于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，俄羅斯按用途進(jìn)行了分類，如船（艇）體用鈦合金 ПТ?1Ｍ、船舶機(jī)械鈦合金 ПТ3、3Ｍ、37、ПТ?7Ｍ 以及船舶動力工程鈦合金 23、37、ПТ?3Ｂ、40、5Ｂ 等。 美國海軍于 20 世紀(jì) 50 年代開始注意到鈦及鈦合金用于艦船（艇）工業(yè)的可能性，1963 年開始進(jìn)行大量的工程化研究，并成功地將鈦用于各類動力的航母、水面艇、潛艇、民用船。 美國主要應(yīng)用的鈦材有：純鈦、Ｔｉ?3Ａｌ?4Ｖ ＥＬＩ、Ｔｉ?6Ａｌ? 4Ｖ、Ｔｉ?3Ａｌ? 4Ｖ、Ｔｉ?0.3Ｍｏ?0.8Ｎｉ、Ｔｉ?6Ａｌ? 4Ｖ?2Ｎｂ?1Ｔａ?0.8Ｍｏ、Ｔｉ?3Ａｌ?2.5Ｖ、Ｔｉ?3Ａｌ?8Ｖ?6Ｃｒ?4Ｍｏ?4Ｚｒ 等，這些材料主要用于艦艇的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風(fēng)扇的葉片、推進(jìn)器軸、彈簧、航母上的消防設(shè)備等 ［8］ 。 我國艦船（艇）用鈦合金的研究和應(yīng)用始于20 世紀(jì)60 年代 ［11］ ，經(jīng)過長期的摸索和發(fā)展，鈦合金的研究和應(yīng)用水平都有了長足進(jìn)步，已經(jīng)形成了較為完整的艦用鈦合金系列，能滿足各類型水面、水下艦船（艇）及其相應(yīng)部位對不同強(qiáng)度等級的需求。 在我國水面、水下艦船（艇）用鈦合金系列中，屈服強(qiáng)度從320 ～1 100 ＭＰａ 形成了低、中、高強(qiáng)度的不同等級，如表 1 所示。 除了常規(guī)艦船（艇）用鈦合金研究，我國還將針對航空、航天等領(lǐng)域研制的鈦合金推廣到艦船（艇）和水下航行器上的應(yīng)用研究，同時在新型鈦合金的創(chuàng)新研制等方面取得了突破，部分新研鈦合金已開始陸續(xù)在各種艦船（艇）、潛航器等裝備上服役，這為擴(kuò)大鈦合金在新型水下航行器方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 在實(shí)際工程應(yīng)用研究方面，近年來，我國在一些聲吶導(dǎo)流罩、螺旋槳、聲吶掃雷具等裝備上，采用鈦合金制造的最終產(chǎn)品應(yīng)用效果較好。 此外我國鈦合金也廣泛應(yīng)用于潛望鏡、雷達(dá)支座、泵、管、閥、冷卻器、熱交換器等部位 ［12］ ，極大提升了艦船綜合性能。 我國研制的新型鈦合金球鼻艏也已經(jīng)得到了應(yīng)用，具有剛性好、強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠、內(nèi)部噪音低、透聲性能優(yōu)異、維修費(fèi)用少等優(yōu)勢，填補(bǔ)了我國高性能鈦合金球鼻艏關(guān)鍵技術(shù)空白 ［13］ 。 為滿足不斷發(fā)展的應(yīng)用需求，當(dāng)前我國新型鈦合金的研制也非?；钴S，其中水下航行器用鈦合金是我國鈦合金研究和發(fā)展的重要方向之一。

工藝制造能力方面，因其具有高比強(qiáng)度、抗腐蝕、耐高溫、可焊接等良好的性能，鈦合金最早用于制造潛艇的外殼、耐壓艙、內(nèi)部管道系統(tǒng)等。 以俄羅斯臺風(fēng)級核潛艇為例，一 艘潛艇的雙層外殼用 9 000 ｔ 鈦合金制造，這使其具有了無磁性、大潛深、航速快、噪音小、維修次數(shù)少等優(yōu)良性能 ［14］ 。

目前，我國可以自主生產(chǎn)出鈦合金板、環(huán)、餅、棒、管、絲和鑄件等產(chǎn)品，這些原材料為水下航行器用鈦合金的工業(yè)化應(yīng)用提供有力支撐，其中由我國研制的鈦合金 ＴＣ4ＥＬＩ（名義成分：Ｔｉ?6Ａｌ?4Ｖ，低間隙），抗拉強(qiáng)度可達(dá) 1 100 ＭＰａ，彈性模量為 110 ＧＰａ，已成功應(yīng)用于大直徑大潛深載人艙，其需要的板材厚度已經(jīng)超過世界大多數(shù)國家的軋制工藝水平。 圖 1 為我國研制的 ＴＣ4ＥＬＩ 鈦合金主要技術(shù)參數(shù) ［15］ 。

3、新型水下航行器用鈦合金力學(xué)性能分析

水中兵器、水下機(jī)器人、水下滑翔機(jī)、載人深潛器等新型水下航行器一般都處于高壓強(qiáng)的海水中，需要克服深海高壓帶來的不利影響。 隨著作業(yè)深度的增加，水下工作環(huán)境條件 對航行器所承受載荷和壓力的性能要求不斷提升 ［16］ ，一旦航行器密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損、泄露，將會引發(fā)不可估量的后果，所以有必要對水下航行器密封結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析 ［17］ 。 ＴＣ4ＥＬＩ 鈦合金與常用金屬工程材料的主要力學(xué)參數(shù)如表 2 所示 ［18 －19］ 。

在這些表征材料特性的參數(shù)中，密度是材料的基本屬性之一，可以衡量其單位體積的質(zhì)量大??；另一個主要參數(shù)是屈服極限，它是材料的一個主要力學(xué)特性，體現(xiàn)了其彈性變形范圍內(nèi)承受載荷的能力。 圖 2 是以上幾種材料的密度和屈服極限對比柱狀圖。

從圖 2（ａ）可以看出 6061 鋁合金密度最低，Ｑ235 碳素結(jié)構(gòu)鋼和 06Ｃｒ19Ｎｉ10 不銹鋼密度最高，說明在同樣的結(jié)構(gòu)或體積條件下，以 6061 為代表的鋁合金質(zhì)量最輕，而以 Ｑ235為代表的碳素結(jié)構(gòu)鋼和以 06Ｃｒ19Ｎｉ10 為代表的不銹鋼質(zhì)量最重，單從密度屬性來看，以 ＴＣ4ＥＬＩ 為代表的鈦合金對應(yīng)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面不具明顯優(yōu)勢；然而從幾種材料的屈服極限對比圖 2（ｂ）可以看出，以 ＴＣ4ＥＬＩ 為代表的鈦合金在幾種材料中表現(xiàn)更好。

表 2 中還有一個表征材料屬性的重要參數(shù)比強(qiáng)度，它是材料抗拉強(qiáng)度與密度之比，比強(qiáng)度越高表明達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所用的材料質(zhì)量越輕。 優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有較高的比強(qiáng)度， 才能盡量以較小的截面滿足強(qiáng)度要求，同時可以大幅度減小結(jié)構(gòu)體本身的自重 ［20］ 。 圖 3 是以上幾種材料比強(qiáng)度曲線。

從圖 3 中可以看出，以 ＴＣ4ＥＬＩ 為代表的鈦合金有優(yōu)于其他常用工程金屬材料的比強(qiáng)度，有利于減輕水下航行器的整體質(zhì)量，并提升綜合力學(xué)性能。 此外鈦合金兼具有較好的韌性，現(xiàn)有技術(shù)條件下，其斷裂韌性 Ｋ1Ｃ 值在 50 ＭＰａ·ｍ 1／2以上 ［8］ ，有研究表明結(jié)構(gòu)材料在滿足強(qiáng)度要求的前提下，韌性越高越好 ［10］ 。

4、新型鈦合金水下航行器應(yīng)用研究進(jìn)展

很長一段時間，我國海軍服役艦艇的耐壓殼體聲納導(dǎo)流罩以及管路系統(tǒng)所采用的材料基本上是碳鋼、鋁合金、不銹鋼。 值得注意的是，俄羅斯（前蘇聯(lián)）曾經(jīng)也選用過這些常規(guī) 材料，但之后大多轉(zhuǎn)為用鈦合金，且最終應(yīng)用效果良好。 例如，1968 年底建成的 Ｋ166 號核潛艇，其殼體、管路系統(tǒng)以及其他大量裝置和機(jī)器設(shè)備都用鈦合金制造。 以及在 20 世紀(jì)70 年代初曾引起世界廣泛關(guān)注的 Ａ 級攻擊型核潛艇，是當(dāng)時國際上核潛艇中噸位最?。ㄋ屡潘? 120 ｔ）、航行速度最快（水下最大航速 41 ｋｎ）、下潛最深（下潛深度 700 ｍ，極限下潛深度為 750 ｍ）的最先進(jìn)的核潛艇，也是采用鈦合金為主要材料完成建造 ［22］ 。

俄羅斯以及烏克蘭具有熟練的勞動力和精密的試驗(yàn)裝置 ［23］ ，并且生產(chǎn)了多個類型的水下航行器，例如 ＭＩＲ2、ＵＲＡＮ?1、ＭＡＳＫ?2 等，其中，源于太空船的鈦合金等先進(jìn)殼體材料技術(shù)是他們的強(qiáng)項(xiàng) ［24］ 。 除了俄羅斯和烏克蘭，其他國家也相繼在鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域開展研究。 美國從 20 世紀(jì) 60年代開始了鈦合金潛器的研究和應(yīng)用，1981 年和 1982 年建造的“海崖”號深潛器，就裝備了鈦合金制造的觀察艙和操縱艙。 法國 1985年研制的“鸚鵡螺” 號潛水器、日本“深海6500”調(diào)查深潛器、我國自主研制的“蛟龍”號載人深潛器和“橙鯊”號自主水下航行器的主要結(jié)構(gòu)部件都采用鈦合金制造 ［21，25］ 。

鈦合金在我國大尺度、大潛深航行器研究領(lǐng)域中也取得了新的突破。 由于力學(xué)性能好、服役壽命長、維護(hù)成本少，鈦合金在潛航器上的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢，特別是大潛深裝備 殼體材料，不僅需要兼具極高的強(qiáng)度和較好的韌性，而且需要有較好的防腐、透聲、無磁等綜合特性，因此高性能鈦合金材料的研究和應(yīng)用是主要的發(fā)展趨勢，并且已經(jīng)有了一定的技術(shù)突破。 大連理工大學(xué)王雷等提出一種應(yīng)用于水下機(jī)器人的筒式同步型永磁推進(jìn)器的隔離套就是使用鈦合金材料 ［26］ ，浙江大學(xué)胡任通過對不同材料耐壓性能的分析確定鈦合金作為水下滑翔機(jī)耐壓外殼材料 ［27］ ，中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)支持下的7 000 ｍ 級深?；铏C(jī)密封頭部端蓋也是使用鈦合金材料 ［28］ 。 鈦合金在載人深潛領(lǐng)域的表現(xiàn)突出，由我國自主研制的“深海勇士” 號載人潛水器工作深度最大為4 500 ｍ，“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器下潛深度成功突破 7 000 ｍ，“奮斗者號”載人潛水器（見圖 4）在馬里亞納海溝成功問鼎“地球第四極”，坐底深度 10 909 ｍ ［29］ 。 這幾型潛器的耐壓殼均使用了高強(qiáng)度的鈦合金材料，其他主要結(jié)構(gòu)也采用鈦合

金材料制造。 可以說鈦合金在當(dāng)前我國新型水下航行器領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，后續(xù)也將對高性能航行器的研發(fā)起到積極作用。

5、展望

近年來，鈦合金在新型水下航行器上的應(yīng)用已引起各國軍民領(lǐng)域的重視。 鈦合金的應(yīng)用有助于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、改善載荷聲學(xué)、力學(xué)、電磁環(huán)境，延長裝備使用壽命。 經(jīng)過半個多 世紀(jì)的研究，我國已經(jīng)開發(fā)并形成了較為完整的鈦合金系列，并具有較強(qiáng)的工藝制造能力。 但是鈦合金在我國水中兵器、水下機(jī)器人、水下直升機(jī)、水下（蛙人）運(yùn)輸器、載人深潛器等新型航行器上的應(yīng)用研究尚處于起步階段，還具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?，特別是在大尺度、耐腐蝕、超潛深、可靜默等功能屬性的實(shí)現(xiàn)上還存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。 未來可在新型鈦合金材料研制，鈦合金鍛壓、軋制、鑄造、焊接等傳統(tǒng)制造工藝創(chuàng)新，3Ｄ 打印、快速成型等增材制造技術(shù)研究，鈦合金材料評價體系創(chuàng)新，新型水下航行器數(shù)字化仿真及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，推動鈦合金在水下航行器應(yīng)用領(lǐng)域取得持續(xù)的技術(shù)突破。

1） 材料研制方面，可以從材料組份元素調(diào)整、制法流程優(yōu)化等方面促成新型鈦合金的譜系完善。

2） 傳統(tǒng)工藝方面，應(yīng)注重鈦合金成型過程中微觀組織控制，鍛壓、軋制、鑄造、焊接等關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定 ［30］ ，熱變形工藝的精確控制 ［31］ ，以及工藝裝備的革新等。

3） 增材制造是近年來材料成型技術(shù)研究的一個熱點(diǎn)，這種先進(jìn)制造技術(shù)顛覆了人們對機(jī)械制造的傳統(tǒng)認(rèn)識 ［32］ ，鈦合金打印母材的制備、專用成型設(shè)備的研發(fā)、打印參數(shù)的確定、水下航行器部件打印的拓?fù)渑帕校约白罱K零件的拼接等方面技術(shù)需要進(jìn)一步研究突破。

4） 評價體系方面，應(yīng)該健全成熟的選材指導(dǎo)準(zhǔn)則 ［33］ ，特別是應(yīng)當(dāng)建立供新型水下航行器應(yīng)用方面的鈦材指導(dǎo)評價準(zhǔn)則，如可以按照潛深、防腐等級、透聲要求等指標(biāo)，對應(yīng)選取的鈦合金系列類型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評定。

5） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，利用航空航天、兵器裝備、車輛工程等領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計方法，以現(xiàn)有鈦合金為工程材料，對新型水下航行器主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)優(yōu)化和預(yù)報仿真，充分發(fā)揮鈦

合金的力學(xué)特性，從質(zhì)量功能上確保航行器機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性 ［30，34 －36］ 。

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［28］ 譚智鐸．7000 米級深海滑翔機(jī)復(fù)合材料耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計研究［Ｄ］.沈陽：東北大學(xué)，2015．Ｔａｎ Ｚ Ｄ.Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅｈｕｌｌｓ ｆｏｒ 7000 ｄｅｐｔｈ ｇｌｉｄｅｒ［Ｄ］.Ｓｈｅｎｙａｎｇ：Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ?ｔｙ，2015．

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［30］ 顏家杰.基于 ＱＦＤ 的某小型特種車輛設(shè)計［Ｄ］.廣州：華南理工大學(xué)，2016．Ｙａｎ Ｊ Ｊ.Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＱＦＤ［Ｄ］．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ：Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2016．

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［33］ 于宇，李嘉琪.國內(nèi)外鈦合金在海洋工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［Ｊ］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2018，33（03）：112 －115．Ｙｕ Ｙ，Ｌｉ Ｊ Ｑ.Ｃｕｒｒｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａ?ｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，2018，33（03）：112 －115．

［34］ 顏家杰，蔡云蛟，徐能強(qiáng).某小型特種車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計與研究［Ｊ］.機(jī)械工程師，2014（12）：14 －15．Ｙａｎ Ｊ Ｊ，Ｃａｉ Ｙ Ｊ，Ｘｕ Ｎ Ｑ.Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｔｅｅｒｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａ ｓｍａｌｌ ｓｐｅｃｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］.Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉ?ｎｅｅｒ，2014 （12）：14 －15．

［35］ Ｊｉｎｊｕｎ Ｊ，Ｄｅｆｅｎｇ Ｇ，Ｊｉａｊｉｅ Ｙ，ｅｔ ａｌ.Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒｄｒｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｃ］ ／ ／20213ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｎｄＡｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ （ＡＩＡＭ），2021：142 －146．

［36］ Ｙａｎ Ｊ，Ｌｕｏ Ｗ，Ｗａｎｇ Ｊ，ｅｔ ａｌ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅ?ｓｉｇｎ ｏｆ ｓｕｂｓｅａ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ／ ＯＬ］.Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ： 247（2022） 110536.［2022 － 04 － 02］.ｈｔｔｐｓ：／ ／ ｄｏｉ.ｏｒｇ／10．1016／ ｊ.ｏｃｅａｎｅｎｇ．2022．110536．

科學(xué)編輯　 宋鴻武 博士（中國科學(xué)院金屬研究所項(xiàng)目研究員、碩導(dǎo)）

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