窒素含有チタン粉末の特性と積層造形体における力学特性
Characteristics of Titanium Powder with Nitrogen and Mechanical Properties of
Its Additive Manufactured Materials
Ammarueda ISSARIYAPAT・近 藤 勝 義・Patama VISUTTIPITUKUL
Tingting SONG・Ma QIAN・梅 田 純 子
Ammarueda ISSARIYAPAT, Katsuyoshi KONDOH, Patama VISUTTIPITUKUL,
Tingting SONG, Ma QIAN and Junko UMEDA〔スマートプロセス学会誌，Vol. 8, No. 3 (2019) 別刷〕

解説

窒素含有チタン粉末の特性と積層造形体における力学特性
Characteristics of Titanium Powder with Nitrogen and Mechanical Properties of
Its Additive Manufactured Materials
Ammarueda ISSARIYAPAT＊・近 藤 勝 義＊・Patama VISUTTIPITUKUL＊＊
Tingting SONG＊＊＊・Ma QIAN＊＊＊・梅 田 純 子＊

Ammarueda ISSARIYAPAT, Katsuyoshi KONDOH, Patama VISUTTIPITUKUL,
Tingting SONG, Ma QIAN and Junko UMEDA

Key Words: Additive Manufacturing, Titanium Powder, Nitrogen, Solid Solution, Heat Treatment1.

豊富で普遍に存在するため、安定供給が可能で廉価な元素

緒言を指す。一般に、酸素や窒素の添加によりチタンは脆化す

軽量金属の一つであるチタン（Ti）は、耐腐食性や生体ると報告されており、工業用純チタンにおいて、例えば、親和性などに優れることから熱交換器や化学プラント、淡酸素量に関して、JIS Class 1/ASTM Grade 1 では 0.15 mass%

水化プラントのような産業機械、インプラントや人工関節と 0.18 mass%、JIS Class 4/ASTM Grade 4 で あ っ て も 0.40のような医療機器など、幅広い産業分野にて活用されていmass% と、その含有量は厳しく制限されている12）, 13）。酸素

る1）-5）。特に、航空機用部材や医療機器など高強度特性が必や窒素、炭素の添加がチタンの強度特性と延性に及ぼす影要とされる用途へのチタン材の適用に際しては合金化によ響については、Jaffee により報告されており14）、例えば、酸る高強度化が図られている。チタン合金は、その組織構造

素量が 0 mass% に近い場合は 40% 程度の優れた破断伸び値

によって耐クリープ性能に優れる α 型合金、低剛性を発現を示すが、酸素固溶量の増加に伴ってその値は急激に低下する β 型合金、強度特性に優れる α + β 型合金の 3 種類にし、0.3 mass% の酸素固溶チタン材の破断伸びは約 20% と分類される2）, 3）。なかでも、α + β 型に属する Ti-6Al-4V（Ti-なる。その後、酸素固溶量の増加に伴う伸び値の低下は鈍64）合金（ASTM Grade 5）は強度と靭性を兼ね揃え、溶接性化し、0.5 mass% の酸素固溶でその値は約 15% を示す。さや熱間加工性も比較的良好であることから代表的な汎用合らに、これを超える酸素が固溶すると、例えば、Fig. 1 に

金 で あ る2）, 3）。 こ の 他 に も Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-

示す酸素を 0.62 mass% 含む鋳造チタン材の SEM-EDS 分析

0.35Si-0.06C（Ti-834）や Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6246）な ど

結果に見るように、凝固過程において α-Ti 結晶粒内およびのチタン合金が航空機用部材に採用されている。このよう粒界に酸素成分の偏析・濃化領域を伴う。その結果、伸びにチタンの高強度化には、バナジウム（V）やジルコニウム

値は再び急激に低下し、例えば、0.76 mass% 酸素固溶チタ（Zr）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）といった高価なレア
メタルの添加が必須とされている2）, 6）, 7）。一方、バナジウムとジルコニウムの需要・供給は年々増加しており、今後も需要の増加が予測されている8）, 9）。しかしながら、供給予測に関しては、今後の採掘量の拡大を加味してもその需要予測量に対して不足しており、更なる価格高騰が懸念される。
その結果、レアメタルを含むチタン合金の価格上昇を誘発
し、チタン製品の利用が限られる可能性がある。
このような問題を克服する合金設計として、ユビキタス
元素の活用が提案されている1）, 10）, 11）。ユビキタス元素とは、水素、炭素、窒素、酸素、シリコン、鉄のように資源的にFig. 1 SEM-EDS analysis result of cast Ti-0.62 mass% O.

＊大阪大学 接合科学研究所（〒 567-0047 大阪府茨木市美穂ケ丘 11-1）
Joining and Welding Research Institute, Osaka University（11-1 Mihogaoka, Ibaragi, Osaka 567-0047, Japan）＊＊タイ王立チュラロンコン大学
Department of Materials Engineering, Faculty of Engineering, Chulalongkorn University（254 Phayathai Road, Pathumwan, Bangkok 10330, Thailand）＊＊＊王立メルボルン工科大学
School of Engineering, Royal Melbourne Institute of Technology（GPO Box 2476, Melbourne VIC 3001, Australia）− 95 −

窒素含有チタン粉末の特性と積層造形体における力学特性（ISSARIYAPAT・近藤・VISUTTIPITUKUL・SONG・QIAN・梅田）

ン材の破断伸びは 0% となり脆性破壊を呈する。

末を適用した際の課題と、それに代わる窒素固溶チタン粉

しかしながら、強度特性は酸素固溶量の増加に伴い増大末の作製方法およびその特性を紹介する。続いて、窒素固し、酸素を含まない純チタン材の引張強さが約 310 MPa で溶チタン粉末を用いて作製した高濃度窒素固溶チタン積層

あるのに対して、0.4 mass% 酸素固溶材では 690 MPa、破断

造形体の組織および力学特性について詳述する。

伸び 0% を示した 0.76 mass% 酸素固溶材では 980 MPa と、
レアメタル元素を一切添加していないにも関わらず、優れ

2.

TiN 粒子被覆チタン粉末の特性と課題た強度特性を発現する。また、窒素固溶チタン材において既往研究 21） において、粉末冶金法によりチタン焼結体も優れた固溶強化機構の発現が報告されているが、過剰な中に窒素成分を固溶する場合、ボールミル混合法を用いて窒素量を含む場合、酸素と同様に窒素成分の凝固偏析にチタン粉末表面に TiN 微粒子を機械的に付着した Ti/TiN 複

15）より伸び値が低下する 。十分な延性を維持しつつ、酸素合粉末を使用する。一例として、ガスアトマイズ法で作製や窒素の固溶強化を発現すべく、凝固偏析・濃化現象を伴した球状 Ti-64 合金粉末（平均粒子径 23 μm）に 3 mass% のうことのない、完全固相法である粉末冶金プロセスを適用

TiN 粒子（同 1.2 μm）を秤量・添加した出発原料をミルポッ

し、上述した JIS や ASTM の規格上限値を越える酸素や窒トに充填し、その容器内を酸化防止のためにアルゴンガス

素を含む場合であっても破断伸び値が 20% を越えて、かつで置換した後に回転ボールミル混合処理（回転数 90 rpm、

1000 MPa 以上の引張強さを有する純チタン焼結材が報告さ

混合時間 3.6 ks）を施した。使用した原料粉末と得られたれている16）, 17）。その際、酸素および窒素の供給源として、

Ti/TiN 複合粉末の外観写真を Fig. 2 に示す。TiN 微粒子が酸化チタニウム（TiO2）粒子や窒化チタニウム（TiN）粒子を

Ti-64 粉末の表面に均一に付着しており、今回の条件では選択し、各添加粒子と母相となるチタン粉末を混合し、固混合処理後においても Ti-64 粉末は球状を呈していること

相焼結過程でそれらの添加粒子の分解を誘発することで酸が伺える。また、同様の混合方法により TiN 粒子添加量を素や窒素の拡散・固溶現象を促進して目的とする両元素に変えて作製した複合粉末に含まれる窒素量および酸素量のよる固溶強化チタン焼結材が得られる。また、酸素や窒素

分析結果を Fig. 3 に示す。Ti/TiN 複合粉末に含まれる窒素による固溶強化機構に関する定量的な考察や、両元素の固量は、TiN 粒子の添加量にほぼ比例して増加しており、Ti

溶強化量を高い精度で予測できる解析が行われており、レ粉末と TiN 粒子の配合比率による窒素含有量に対する高いアメタルに替わるチタン材の強化元素としての適用可能性が示されている18）。
他方、ステンレス鋼、マルエージング鋼、アルミニウム（Al）合金、チタン合金などの金属粉末を出発原料として用いて 3 次元 CAD データから直接、製品や部材を作製できる積層造形法（Additive Manufacturing, AM）が国内外で注目されており、粉末材料を使用する点で粉末冶金製法の一つといえる19）。具体的には、レーザや電子ビームといった高密度エネルギーを照射し、パウダーベッド部に供給された
金属粉末の溶融・凝固現象を繰り返す方法（Selective Laser
Melting, SLM や Electron Beam Melting, EBLM）が 主 流 で あり、金型を用いることなく 3 次元複雑形状製品が創製できる19）。また、AM 技術としてレーザクラッディング（肉盛り）

Fig. 2 SEM observation on Ti-3 %TiN composite powder.

技術を基盤としたレーザ直接積層法（Laser Engineered Net
Shaping, LENS）があり、この方法はノズルから金属粉末を噴射し、同時にレーザを照射することで粉末が溶融池に供給されて凝固する過程を繰り返すことで溶融金属を層状に堆積してバルク材が得られる20）。このように金属粉末が短時間で溶融・凝固を伴う過程において、合金成分の中でも拡散速度が比較的大きい元素の偏析・濃化現象を詳細に調査した報告例は少なく、特に、チタン粉末を用いた積層造形法において、上記の酸素や窒素の振舞いに関する研究報
告は限定的といえる。
そこで本稿では、チタン積層造形体における窒素成分による固溶強化の可能性に関して、先ず、従来の固相焼結法

Fig. 3において出発原料として用いる TiN 粒子被覆チタン複合粉− 96 −

Dependence of nitrogen and oxygen content on TiN addition of
Ti-TiN composite powder.

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第8巻

第 3 号（2019 年 5 月）

制御性を有することがわかる。一方の酸素量に関しては、量の平均値 0.634 mass%、標準偏差 0.016% となり、リコー

TiN 粒子量が増えた場合でも原料粉末と比較して顕著な増タにより粉末を供給する際に TiN 粒子の脱落による窒素量減はなく、混合処理過程において Ti 粉末の酸化現象は抑制のばらつきが生じることを確認した。つまり、造形体におできるといえる。

ける局所的な窒素含有量の変動に起因する力学特性のバラ

積層造形法において、例えば、SLM プロセスでは Fig. 4に示すように原料粉末を造形ステージ上にリコータで供給し、所定の厚さのもとで粉末をパウダーベッドに均一に敷ツキを誘発する可能性が考えられる。
3.

熱処理による窒素固溶チタン粉末の作製方法と特性

き詰める際、リコータブレードから原料粉末に対してせん

Ti-N 平衡状態図 22） によれば、α-Ti 相には最大 23 at.% の断力が作用する。また LENS 製法では、回転式粉末供給器

窒素原子が固溶できることから、窒素ガス雰囲気で Ti 粉末においても粉末に対してせん断力が付与される。その結果、を熱処理することで窒素成分を含む Ti 粉末の作製を試み

いずれにおいても Ti/TiN 粉末を使用した際に Ti 粉末表面た。具体的には、窒素ガスを導入した雰囲気での純 Ti 粉末に機械的に結合した状態にある TiN 粒子の脱落とそれによの示差熱重量（TG-DTA）分析を行った結果、窒素との反応

る窒素量の変動が懸念される。

開始温度が約 580℃であったことを踏まえ、ここでは、熱

そこで、ボールミル混合法を用いて Ti-2 mass% TiN 複合処理条件を① 1000℃ -5 min 保持、② 800℃-10 min 保持と粉末を準備し、SLM 装置を用いてリコータによりパウダー

し、管状炉（窒素ガス流量 5 L/min）を用いて各 100 g の窒ベッド部に供給した後にその部分からサンプルを少量採取

素含有純 Ti 粉末を作製した。先ず、Fig. 5（a）に条件①でし、これを 20 回繰り返して得られた試料粉末中の窒素量作製した純 Ti 粉末の外観写真および SEM 観察結果を示す。

を分析した。比較として上述したボールミル混合直後の Ti/（a-2）および（a-3）に見るように、アルミナ容器内に充填しTiN 複合粉末から無作為にサンプルを 20 か所から採取してた Ti 粉末は窒化反応により金色を呈し、仮焼結した状態で同様に分析を行った。その結果、混合直後の粉末では、窒あった。但し、篩いにより粉砕することで、（a-4）に見るよ

素含有量の平均値は 0.633 mass%、標準偏差 σ = 0.002% でうに粉末状態となったものの、凹凸を有する球状粉末でああったのに対して、造形部から採取した試料における窒素り、（a-5）からも比較的小さい粒子が他の粗大粉末の表面に付着していることがわかる。他方、条件②で熱処理した際の純 Ti 粉末の観察結果を Fig. 5（b）に示す。得られた試料は僅かに変色したものの、粉末状態を維持しており、（b-3）の SEM 観察結果に見るように微細な Ti 粒子も独立して存在していた。さらに、レーザ回折散乱式粒子径分布測定装置を用いて、両 Ti 粉末の粒度分布を測定した結果、Fig. 6に見るように（a）原料 Ti 粉末と（b）熱処理条件②を比較す
ると、顕著な差異は確認されないが、（c）条件①（1000℃）
で熱処理を施した Ti 粉末では 2 つのピーク分布を有するとFig. 4

Ti-64 alloy powder supplied and distributed by recoater afterlaser irradiation in SLM equipment.

Fig. 5

共に、原料粉末に対して粗大粒であることがわかる。これは Fig. 5（a-5）の SEM 観察結果に示したように、微細粒子

Appearance and SEM observation results of raw pure Ti powder and heat treated ones at 1000℃ for 5 min.
（a）and 800℃ for 10 min.（b）in nitrogen gas atmosphere.

− 97 −

窒素含有チタン粉末の特性と積層造形体における力学特性（ISSARIYAPAT・近藤・VISUTTIPITUKUL・SONG・QIAN・梅田）

Fig. 6

Powder size distribution of raw Ti powder and heat treated ones
at 800℃ for 10 min. and 1000℃ for 5 min. in N2 gas.

Fig. 8Oxygen and nitrogen contents of pure Ti powder after heat
treatment at 640-800℃ for 10 min. in N2 gas.

Fig. 7

SED-EDS analysis results of as-received Ti powder and Ti1.18% N powder after heat treatment at 800℃ for 10 min.

Fig. 9XRD profiles of as-received Ti powder and Ti-N powder after
heat treatment at different temperatures.

が粗大な Ti 粉末表面に結合したことで全体として粗大化し間保持することで異なる窒素量を含む Ti 粉末を作製した。

たことが原因と考える。

得られた Ti 粉末における窒素および酸素量の熱処理温度依

次に、各 Ti 粉末中の酸素および窒素の含有量を分析した。

存性を調査した。その結果、Fig. 8 に示すように今回の温その結果、熱処理前の純 Ti 粉末では O; 0.129 mass%、N; 0.007

度範囲での熱処理においては、Ti 粉末同士は焼結すること

mass% に対して、1000℃-5 min 保持（条件①）試料において、なく粒子状態を維持し、また顕著な酸化現象を伴うことなO; 0.674 mass%、N; 15.14 mass%、800℃-10 min 保持（条件②）

く酸素量は 0.10 〜 0.13 mass% となり、窒素含有量を約 1.2

Ti 粉末では O; 0.107 mass%、N; 1.18 mass% となった。条件

mass% までの広範囲で調整できることを確認した。

②では、酸素含有量の変化は見られないが、窒素量のみがこれらの中で窒素含有量が異なる Ti 粉末の XRD 結果を増加しているのに対して、条件①の熱処理を施した場合、Fig. 9 に示す。約 0.5 mass% 以上の窒素成分を含むと Ti2N

多量の窒素を固溶すると当時に、顕著な酸化反応も進行し化合物相の回折ピークが検出され、また窒素量の増加にたと考えられる。ここで、熱処理を施さない原料 Ti 粉末と伴ってそのピーク強度比は増加しており Ti2N 皮膜の生成量

条件②で作製した窒素 1.18 mass% を含む Ti 粉末を対象に、の増大が確認された。さらに、2θ = 38.4°付近に見られる断面組織構造を SEM-EDS を用いて調査した結果を Fig. 7

α-Ti（002）底面に相当する回折ピークは窒素量の増加に伴いに示す。原料粉末（a）では表面に皮膜は存在せず、窒素分

低角度側に移行しており、既往研究結果 17） を踏まえると、析量も表面から内部に至ってほぼ均一であるが、熱処理しTi 粉末素地中の窒素固溶量が増大したことを意味する。した Ti-1.18%N 粉末（b）の表面は厚さ約 1.2 μm の皮膜に覆わたがって、熱処理により Ti 粉末に取り込まれた窒素成分は、れており、その領域において窒素成分が濃化していること

粉末表面の Ti2N 膜の形成および素地中の窒素固溶原子としがわかる。

て存在することがわかる。

そこで、炉内温度を 640 〜 800℃として各温度にて 10 分

− 98 −

スマートプロセス学会誌

4.

第8巻

第 3 号（2019 年 5 月）

前述の通り、LENS ではレーザ照射により形成された溶LENS 法および放電プラズマ焼結法により固化した窒融池にノズルから噴射した Ti 粉末が供給・凝固し、積層造素固溶チタン粉末バルク体の特性
窒素固溶 Ti 粉末を出発原料とし、LENS 法および放電プ
ラズマ焼結法（Spark Plasma Sintering, SPS）23）を用いて固化した窒素含有チタン材を作製し、それぞれのチタン材に関する組織構造および力学特性を紹介する。両製法の模式図と本実験で使用した各固化条件を Fig. 10 に示す。

形体を作製するため、（a）に示すようにバルク体の表面には層状の模様が形成される。一方、（b）の SPS プロセスでは、原料粉末を黒鉛型に充填した状態で真空雰囲気において加圧と同時に通電加熱を付与して粉末同時の固相焼結現象を促す。通電による電磁的エネルギーや粉末表面の酸化膜間での放電現象、粉末における自己発熱現象などの複数の因子が焼結現象の駆動力として作用する。得られた Ti 材はい
ずれも空隙な欠陥などは観察されず、相対密度は 99.9% 以上を有しており完全に緻密化された状態である。ここでは、窒素成分を 0.5 mass% 含む Ti-（0.5）粉末を用いて LENS 法および SPS 法で固化した試料を対象に、組織構造解析と常温での引張試験を実施した。なお、熱処理を施さない純 Ti
粉末を用いた SPS 焼結体を比較材として準備して評価した。
先ず、各試料の XRD 結果を Fig. 11 に示す。Ti-（0.5）粉末にて検出された Ti2N 相の回折ピークは LENS 造形体（a）および SPS 焼結体（b）のいずれにおいても消失しており、同化合物は熱分解した。また両試料の 2θ = 38.4°付近にある（002）底面の回折ピークは、窒素成分を含まない純 Ti 粉末を用いた SPS 焼結体（c）に対して低角度側に移行しており、窒素成分は α-Ti 結晶中に固溶原子として存在することを確認した。なお、LENS 造形体（a）において、2θ = 40.2°付近にある（101）面の回折ピークのシフトは見られず、窒素成分を含まない SPS 焼結体（c）に近い回折角において検出されている。これは LENS プロセスにおいてレーザ照射により形成した Ti 粉末の溶融池が急速に凝固する過程で残留応力が発生し、これにより結晶格子の拡張が抑制されたと考えられる24）。
次に、SEM-EBSD 解析による各試料の組織および結晶配向性を調査した結果を Fig. 12 に示す。ここで LENS 造形
体（a）における造形方向は図の下から上であり、粉末粒子
径を超える粗大な旧 β 粒が積層方向に形成されたことがわ

Fig. 10

Schematics of LENS（a）and SPS（b）process to fabricate Ti
materials and operating parameters used in this study.

Fig. 11− 99 −XRD profiles of Ti-0.5% N powder, LENS Ti-N（a）, SPS Ti-N（b）and SPS pure Ti materials（c）.

窒素含有チタン粉末の特性と積層造形体における力学特性（ISSARIYAPAT・近藤・VISUTTIPITUKUL・SONG・QIAN・梅田）

Fig. 13

Stress-strain curves of LENS Ti-N（a）, SPS Ti-N（b）and SPS
pure Ti materials（c）in tensile test at ambient temperature.

結晶粒径を有する SPS 焼結体（c）と比較して顕著な強度増加を伴うことから、同様に窒素固溶強化に起因する結果といえる。なお、破断伸びが 0.3% と顕著に減少しているが、これは α-Ti 結晶粒が粗大かつ異形状を呈しており、さらにFig. 12SEM-EBSD analysis on LENS Ti-N（a）, SPS Ti-N（b）and SPS
pure Ti materials（c）.

かる。また、金属積層造形特有の凝固過程に形成される柱約 0.5 mass% の窒素成分が固溶することで結晶粒の塑性変形が低下したことが要因と考えられる。
5.

結論状結晶組織を有しており、その大きさは他の SPS 焼結体に

本稿では、チタン粉末積層造形体における窒素固溶強化

比べて極めて微細であることから大きな冷却速度を伴っての可能性に関して、出発原料となる 2 種類の窒素成分を含凝固したといえる。他方、SPS 焼結体において、完全緻密

むチタン粉末の作製方法とその特性を紹介した後、窒素を化と Ti2N 膜の熱分解の観点から焼結温度を 1100℃（β 相温約 0.5 mass% 含むチタン粉末から作製した窒素固溶チタン度域）に設定したことで微細な等軸粒を伴わず、粗大な異積層造形体の組織構想および力学特性について紹介した。

形状 α-Ti 結晶粒が強い結晶配向性を有することなく形成さ

溶融・凝固現象を伴う積層造形過程において、高い冷却速れた。なお、約 0.5 mass% の窒素成分を含む試料（a）およ

度を伴って溶融したチタンが凝固することで窒素成分の粒び（b）の SEM 像において、粒界近傍には窒素成分の偏析・界近傍への偏析・濃化現象は抑制され、固溶強化が発現す

濃化域 21）は見られない。

ることを確認した。本稿で紹介したチタン造形体は、主に最後に、窒素固溶 Ti 粉末造形体の力学特性について紹介

柱状結晶組織から形成されており、延性改善の観点からもする。Fig. 13 に各試料の引張試験で得られた代表的な応力 -熱処理などによる等軸 α-Ti 粒の形成が有効であり、また窒

ひずみ線図を、また各試料における酸素と窒素の含有量およ

素固溶量の増加による更なる結晶粒微細化と固溶強化に関び試験数 n = 3 の平均値を併せて示す。0.5 mass% の窒素成分する検討が必要であると考える。

を含む LENS 造形体（a）の引張強さは、窒素を含まない SPS

謝辞

焼結体（c）に対して約 2.5 倍に増大しており、α-Ti 結晶粒の微細化強化を考慮してもその増加量は著しく大きく、窒素固

本内容の一部は、国立研究開発法人科学技術振興機構 未

溶強化によるものと考えられる。また、窒素を 0.48 mass%

来社会創造事業・探索加速型「地球規模課題である低炭素含む純 Ti 焼結押出材において引張強さ 1146 MPa、破断伸社会の実現」（H29 〜 H31 年度）において得られた研究成果

び 11% との既往研究結果 17）と比較すると、LENS 造形体（a）

であり、また実施に際して大阪大学国際共同研究促進プロの強度および延性は共に低い特性といえる。これは上記のグラムによる助成を受けた。関係各位に謝意を表する。

Ti-0.48%N 焼結押出体が微細な α-Ti 等軸粒（平均粒径 6.6

引用文献μm）から構成されていることで結晶粒微細化強化と高い塑性変形能による延性向上によるものと考察される。他方、0.5

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mass% の窒素成分を含む SPS 焼結体（b）においても引張強さは 700 MPa を超える高強度特性を有しており、同程度の2） M. Niinomi, Basic Materials Science, Manufacturing and Newly− 100 −

スマートプロセス学会誌

Advanced Technologies of Titanium and Its Alloys, 1st ed. Tokyo:

第8巻

第 3 号（2019 年 5 月）

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