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A número um mundial e bicampeã era a favorita para derrotar Keys, mas a americana, 19.ª cabeça de série, venceu por 6-3, 2-6 e 7-5 para conquistar o seu primeiro título do Grand Slam.
O triunfo destruiu os sonhos de Sabalenka de se tornar a primeira mulher em 26 anos a conquistar o terceiro título consecutivo de singulares em Melbourne Park.
"Acho que quando se chega à final, é o troféu ou nada. Ninguém se lembra do finalista (perdedor)", disse a bielorrussa de 26 anos, que é a atual campeã do Open dos Estados Unidos.
"Quero dizer, nesta altura, vou atrás de títulos, mas é claro que tenho de estar orgulhosa de mim própria com três finais consecutivas. Isso é uma loucura. Espero que no próximo ano volte como uma melhor jogadora e que possa segurar o Daphne (o troféu) mais uma vez", acrescentou.
Sabalenka foi graciosa na derrota, dizendo que Keys foi "super agressiva" ao vencer o primeiro set e jogou no final de uma final absorvente com "nada a perder", mas no rescaldo imediato admitiu que tinha sido uma luta para controlar as suas emoções.
A bielorrussa partiu a raquete e enterrou a cabeça numa toalha depois de a sua série de 20 vitórias consecutivas em Melbourne Park ter terminado quando mais importava.
"Houve definitivamente um pouco de frustração porque eu estava tão perto de conseguir algo louco", disse.
"Quando estamos lá fora, estamos a lutar, mas parece que tudo não está a correr da forma que realmente queremos. Só precisava de deitar fora essas emoções negativas no final para poder fazer um discurso e não ficar ali a faltar ao respeito", finalizou.