(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温で運用された、表面を有する被覆超合金構成要素を新品同様にする方法であって、
酸化物層と、前記酸化物層と拡散領域との間の付加層とを含み、前記拡散領域が前記付加層と前記超合金構成要素の超合金基板との間にある、前記拡散コーティングを有する前記被覆超合金構成要素を用意するステップと、
前記被覆超合金構成要素の前記表面からグリースを除去するステップと、
前記被覆超合金構成要素の前記表面を清掃するステップと、
前記酸化物層と前記付加層の一部とをグリットブラストによって選択的に除去するステップであり、前記付加層の前記一部が前記付加層の厚さの約２５％から約８０％であり、前記除去するステップにより露出した部分を生成する、ステップと、
前記露出した部分にアルミナイドコーティングを施すステップと、
前記超合金構成要素上に新品同様にした保護アルミナイドコーティングを形成するために事前選択された高温で拡散熱処理するステップと、
を含み、
前記アルミナイドコーティングがゲルプロセスによって施される、
方法。
【請求項２】
前記グリットブラストが約３０ｐｓｉから約６０ｐｓｉの圧力を使用する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記新品同様にした保護アルミナイドコーティングが、タービンの運用の前の基板の最初のコーティングと実質的に整合するコーティングの微細構造およびコーティングの化学的性質を有する、請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、超合金構成要素を被覆する方法に関する。より具体的には、本発明は、被覆超合金構成要素から拡散コーティングの一部を制御して除去する方法、および被覆超合金構成要素を新品同様にする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンが、航空機で、または発電のために使用される場合、タービンは、一般に、最大動作効率のためにできるだけ高い温度で運転される。高温は構成要素に使用された合金を損なうことがあるので、金属構成要素の動作温度を上げるために様々な手法が使用されている。
【０００３】
ニッケル基超合金は、ガスタービンエンジン中の最高温材料用途の多くで使用される。例えば、ニッケル基超合金は、高圧および低圧ガスタービンブレード、静翼またはノズル、固定子、ならびにシュラウドなどの構成要素を製作するために使用される。これらの構成要素は、応力および環境条件の両方の極限状態にさらされる。ニッケル基超合金の組成は、構成要素に課される応力を支えるようにエンジニアリングされる。一般に、保護コーティングを構成要素に施して、高温で腐食性の燃焼ガスによる環境攻撃から構成要素を保護する。
【０００４】
広く使用される保護コーティングは、拡散アルミナイドコーティングと呼ばれるアルミニウム含有コーティングである。拡散プロセスは、一般に、２つの別個の領域を形成するために構成要素の表面をアルミニウム含有ガス組成と反応させることを必要とし、２つの別個の領域のうちの最も外側のものは、ＭＡｌで示される環境耐性金属間化合物を含む付加層であり、ここで、Ｍは基板材料によって決まる鉄、ニッケル、またはコバルトである。ＭＡｌ金属間化合物は、堆積されたアルミニウムと、基板からの鉄、ニッケル、および／またはコバルトの外方拡散との結果である。空気中に高温露出される間に、ＭＡｌ金属間化合物は、拡散コーティングおよび下にある基板の酸化を抑制する保護酸化アルミニウム（アルミナ）薄片または酸化物層を形成する。付加層の化学的性質は、白金、クロム、ケイ素、ロジウム、ハフニウム、イットリウム、およびジルコニウムなどの添加元素がアルミニウム含有組成中に存在することによって変更され得る。白金アルミナイドコーティングと呼ばれる白金含有拡散アルミナイドコーティングは、特に、ガスタービンエンジン構成要素で広く使用される。
【０００５】
拡散アルミナイドコーティングの第２の領域は、付加層の下の構成要素の表面領域に形成される。拡散領域は、基板の局所領域の拡散勾配および元素溶解度の変化の結果として被覆反応中に形成される様々な金属間相および準安定相を含む。拡散領域内の金属間化合物は、基板および拡散コーティングのすべての合金元素の生成物である。
【０００６】
そのようなコーティングを形成するために著しい進歩が環境コーティング材料およびプロセスを用いてなされたが、特定の状況下でこれらのコーティングを修復または取り替えるには不可避の要求条件がある。例えば、除去は、拡散コーティングの腐食または熱劣化によって、コーティングが形成されている構成要素の改修によって、または拡散コーティングもしくは拡散コーティングによって構成要素に付着された熱障壁コーティング（存在する場合）の製造中修復によって必要とされることがある。現時点の最新技術修復プロセスは、付加層および拡散層の両方と相互作用し、それらを除去することができる酸性溶液を用いて処理することによって拡散アルミナイドコーティングを完全に除去することである。
【０００７】
拡散領域を含むアルミナイドコーティング全体を除去すると、基板表面の一部が除去されることになる。ガスタービンエンジンブレードおよび静翼エーロフォイルなどの構成要素では、拡散領域を除去すると、基板表面の合金欠乏を引き起こし、空冷式構成要素では、構成要素を廃棄しなければならない程度まで過度に薄化された壁および激烈に変更された気流特性がもたらされることがある。
【０００８】
超合金構成要素の表面を露出させるために拡散コーティングを除去するか、または付加層を完全に除去するのに現在使用されている大部分の方法には、酸剥離、多数のグリットブラスト、およびアルミナイドが超合金構成要素の表面から完全に除去されたことを確認するための後続の加熱着色プロセスを使用することが含まれる。酸剥離は、付加層および拡散層を除去するために特別な設備を必要とするリン酸、硝酸、または塩酸などの過酷化学物質を使用する。
【０００９】
したがって、上述の欠点がない、被覆超合金構成要素（ｃｏａｔｅｄ  ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）から付加コーティングの厚さの少なくとも一部を制御して除去する方法、および被覆超合金構成要素を新品同様にする方法が当技術分野で望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０３０５９３２号明細書
【発明の概要】
【００１１】
本開示の例示的な実施形態によれば、被覆超合金構成要素から拡散コーティングの厚さの少なくとも一部を制御して除去する方法が提供される。この方法は、酸化物層と、酸化物層と拡散領域との間の付加層とを含み、拡散領域が付加層と被覆超合金構成要素の超合金基板との間にある被覆超合金構成要素を用意するステップを含む。この方法は、酸化物層と付加層の一部とをグリットブラストによって選択的に除去するステップを含む。
【００１２】
本開示の別の例示的な実施形態によれば、高温で運用された被覆超合金構成要素を新品同様にする方法が提供される。この方法は、酸化物層と、酸化物層と拡散領域との間の付加層とを含み、拡散領域が付加層と被覆超合金構成要素の超合金基板との間にある被覆超合金構成要素を用意するステップを含む。この方法は、酸化物層と付加層の一部とをグリットブラストによって選択的に除去するステップであり、露出した部分を生成する、ステップを含む。この方法は、露出した部分にアルミナイドコーティングを施すステップを含む。この方法は、超合金構成要素上に新品同様にした保護アルミナイドコーティングを形成するために事前選択された高温で拡散熱処理するステップを含む。
【００１３】
本発明の他の特徴および利点は、例として本発明の原理を示す添付図面に関連してなされる好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の高温で運用された構成要素の斜視図である。
【図２】本開示の高温で運用された構成要素の図１の方向２−２で得られた概略断面図である。
【図３】本開示の酸化物層および付加層の一部が除去された後の図２の構成要素の概略図である。
【図４】本開示の被覆超合金構成要素から付加コーティングの厚さの一部を除去する例示の方法の流れ図である。
【図５】本開示の高温で運用された被覆超合金構成要素を新品同様にする方法の流れ図である。
【図６】運用の前のオリジナルの被覆構成要素と本開示の新品同様にしたコーティングの化学的性質を比較するグラフである。
【図７】本開示による、付加層の一部を除去した構成要素の表面上の層の概略図である。
【図８】本開示の方法による、新品同様にしたコーティングをもつ構成要素の表面上の層の概略図である。
【図９】高温での任意の運用の前の新しい構成要素の表面上の層の概略図である。
【図１０】本開示による、図７の層と、切断するためのニッケルめっきとを含む顕微鏡写真である。
【図１１】本開示による、図８の層と、切断するためのニッケルめっきとの顕微鏡写真である。
【図１２】本開示による、図９の層と、切断するためのニッケルめっきとの顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
可能な限り、図面の全体にわたって同じ部分を表わすのに同じ参照番号が使用されることになる。
【００１６】
超合金構成要素から付加コーティングの厚さの少なくとも一部を制御して除去する方法、および高温で運用された被覆超合金構成要素を新品同様にする方法が提供される。本開示は、一般に、拡散アルミナイドコーティングによって熱的および化学的に厳しい環境から保護される構成要素に適用できる。そのような構成要素の注目すべき例には、ガスタービンエンジンの高低圧タービンノズルおよびブレード、シュラウド、燃焼器ライナ、ならびにオーグメンタハードウェアが含まれる。本開示の利点は、特に、ガスタービンエンジン構成要素に適用できるが、本開示の教示は、一般に、構成要素を環境から保護するのに拡散アルミナイドコーティングを使用することができる任意の構成要素に適用できる。
【００１７】
本開示の一実施形態の１つの利点は、タービンの運用の後で超合金構成要素を再被覆するか、または新品同様にするのに時間および労力が低減されることを含む。本開示の一実施形態の別の利点は、タービンの運用の後で構成要素を再被覆するか、または新品同様にする際のコストの低減である。本開示の一実施形態のさらなる別の利点は、超合金構成要素の新品同様にしたコーティングが、タービンの運用の前の保護アルミナイドコーティングを有するオリジナルに製造された超合金構成要素と実質的に同じ化学的性質を有することである。本開示の一実施形態の別の利点は、新品同様にしたコーティングに関してのコーティングの微細構造および化学的性質がエンジニアリング要求を満たすことである。本開示の一実施形態のさらなる別の利点は、この方法および新品同様にしたコーティングが寸法および気流要求を維持し、修復ハードウェア歩留を改善することである。本開示の一実施形態の別の利点は、この方法によれば酸を使用する完全剥離修復よりも壁厚の消耗が少ないことである。
【００１８】
図１は、本開示の方法で使用することができる、タービンの運用の後の被覆超合金構成要素１０を示し、この図ではエーロフォイル１２である。図に示すように、冷却孔１８がエーロフォイル１２に存在し、冷却孔１８を通るブリード空気はエーロフォイル１２から熱を強制的に移送させられる。構成要素１０にとって特に好適な材料はニッケル基超合金を含むが、その他の材料を使用することができることを予測できる。エーロフォイル１２として示されているが、構成要素１０は、限定はしないが、高圧および低圧ガスタービンブレード、静翼またはノズル、固定子、およびシュラウドを含む。図１に示されるように、約８００℃（約１５００°Ｆ）を超える温度で約１２，０００時間から約２４，０００時間である耐用寿命の後、構成要素１０は目に見える酸化物層４０を有する。
【００１９】
図２は、約１２，０００時間から約２４，０００時間タービンを運用した後の図１の被覆超合金構成要素１０の断面図である。被覆超合金構成要素１０は、超合金基板７０上の拡散コーティング２０を含む。拡散コーティング２０の典型的な厚さ２２は、約３８．１ミクロン（約１．５ミリインチまたはミル）から約１０１．６ミクロン（約４．０ミル）、または代替として約４５ミクロンから約９０ミクロン、または代替として約５０ミクロンから約８０ミクロンである。拡散コーティング２０の厚さ２２は、酸化物層４０の厚さ、付加層５０の厚さ、および拡散領域６０の厚さを含む。酸化物層４０は、一般に、非常に薄く、約５ミクロンから約１０ミクロン、または代替として約６ミクロンから約９ミクロン、または代替として約７ミクロンから約８ミクロンである。付加層５０は、酸化物層４０と拡散領域６０との間にある。付加層５０は、一般に、約１２．７ミクロン（０．５ミル）から約６３．５ミクロン（２．５ミル）、または代替として約１７．８ミクロン（０．７ミル）から約５０．８ミクロン（２．０ミル）、または代替として約２２．９ミクロン（０．９ミル）から約４３．１ミクロン（１．７ミル）の厚さ５４を有する。付加層５０は環境耐性金属間相ＭＡｌを含み、ここで、Ｍは基板材料によって決まる鉄、ニッケル、またはコバルトである（基板がニッケル基である場合、主としてβ（ＮｉＡｌ））。拡散領域６０は、付加層５０と被覆超合金構成要素１０の超合金基板７０との間にある。拡散領域６０の厚さは変化し、一般に、約７．６２ミクロン（０．３０ミル）から１７．７８ミクロン（０．７０ミル）厚、または代替として約８．００ミクロンから約１６．００ミクロン、または代替として約９．００ミクロンから約１５．００ミクロンである。超合金基板７０は、一般に、ニッケル基超合金を含むが、他の超合金が可能である。
【００２０】
図３に示されるように、拡散コーティング２０の酸化物層４０と付加層５０の一部５２とは、グリットブラストによって被覆超合金構成要素１０から選択的に除去される。付加層５０の一部５２を除去すると、付加層５０の露出した部分５６が生成される。除去される付加層５０の一部５２は、付加層５０の厚さ５４の約２５％から約１００％、または代替として約２５％から約８０％、または代替として約３０％から約５０％である。ドライグリットブラスト法が付加層５０の一部５２を除去するのに使用される。グリットブラストの間使用される圧力は、約３０ｐｓｉから約６０ｐｓｉ、または代替として約３５ｐｓｉから約５５ｐｓｉ、または代替として約３８ｐｓｉから約５０ｐｓｉである。グリットブラストに使用される媒体は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、およびそれらの組合せ、または被覆超合金構成要素１０から付加層５０のみを選択的に除去する他の媒体である。グリット媒体のサイズは、約１７７ミクロン（８０グリット（ｇｒｉｔ））から約６３ミクロン（２２０グリット）、または代替として約１４９ミクロン（１００グリット）から約８８ミクロン（１７０グリット）、または代替として約１４９ミクロン（１００グリット）から約１０５ミクロン（１４０グリット）である。圧力、グリット媒体、およびグリットサイズの組合せにより、付加層５０の一部５２を選択的に除去することができる。現在の方法で使用されるグリットブラストでは、付加層５０の一部５２の除去を目視検査することができる。現在の方法のグリットブラストは、拡散領域６０をほとんどまたはまったく除去せず、下にある超合金基板７０のどの部分もまったく除去しない。
【００２１】
図４は、被覆超合金構成要素１０から拡散コーティング２０の厚さ２２の少なくとも一部を制御して除去する方法４００を説明する流れ図である（図３参照）。方法４００は、タービンの運用の後の拡散コーティング２０を有する被覆超合金構成要素１０を用意するステップのステップ４０１を含む（図１参照）。拡散コーティング２０は、被覆超合金構成要素１０の超合金基板７０上の酸化物層４０、付加層５０、および拡散領域６０を含む（図２参照）。方法４００は、拡散コーティング２０の酸化物層４０と付加層５０の一部５２とをグリットブラストによって選択的に除去するステップを含む。ドライグリットブラストは約３０ｐｓｉから約６０ｐｓｉで実施され、媒体はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）であり、媒体のサイズは約１７７ミクロン（８０グリット）から約６３ミクロン（２２０グリット）である。グリットブラストによって除去される付加層５０の一部５２は、付加層５０の厚さ５４の約２５％から約１００％である（図３参照）。現在の方法のグリットブラストは、拡散領域６０をほとんどまたはまったく除去せず、下にある超合金基板７０の部分をまったく除去しない。選択的に除去するステップのステップ４０３の前に、被覆超合金構成要素１０はグリースを除去されるか、または湯洗いされて、被覆超合金構成要素１０の表面からいかなる残留油およびグリースも除去される。選択的に除去するステップのステップ４０３の後の追加のステップは、構成要素１０の露出した部分５６の上へのエアブラストを使用することによってグリットブラストからのいかなる残留グリットまたはデブリも除去するステップである。選択的に除去するステップのステップ４０３の後の別の追加のステップは、被覆超合金構成要素１０を修復するステップである。被覆超合金構成要素１０を修復するステップは、限定はしないが、スポット溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、およびろう付けを含む。方法４００は、除去されたアルミナイドを必要とする被覆超合金構成要素１０に適用する。被覆超合金構成要素１０には、例えば、限定はしないが、ブレード、静翼、ノズル、固定子、シュラウド、バケット、およびそれらの組合せが含まれる。
【００２２】
図５は、被覆超合金構成要素１０が約８００℃以上の高温で運用された後の被覆超合金構成要素１０を新品同様にする方法５００を説明する流れ図である。本明細書で使用するとき、新品同様にしたコーティングとは、既存のコーティングの残留部分と新たに施された気相堆積またはゲルアルミナイドコーティングとを含む新しいコーティングの形成を意味し、ここで、新たに新品同様にしたコーティングは、運用の前のＯＥＭコーティングとほとんど同じ化学的性質を有する。方法は、タービンの運用の後の拡散コーティング２０を有する被覆超合金構成要素１０を用意するステップのステップ４０１を含む（図１参照）。拡散コーティング２０は、被覆超合金構成要素１０の超合金基板７０上の酸化物層４０、付加層５０、および拡散領域６０を含む（図２参照）。方法５００は、酸化物層４０と付加層５０の一部５２とをグリットブラストによって選択的に除去するステップを含み、除去するステップのステップ５０３は露出した部分５６を生成する（図２参照）。ドライグリットブラストは約３０ｐｓｉから約６０ｐｓｉで実施され、媒体はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）または炭化ケイ素であり、媒体のサイズは約１７７ミクロン（８０グリット）から約６３ミクロン（２２０グリット）である。グリットブラストによって除去される付加層５０の一部５２は、付加層５０の厚さ５４の約２５％から約１００％である（図３参照）。現在の方法のグリットブラストは、拡散領域６０をほとんどまたはまったく除去せず、下にある超合金基板７０の部分をまったく除去しない（図３参照）。目視検査を使用して、付加層５０の所望の一部５２が除去されたことを判断することができる。拡散領域６０は、一般に、むしろ無光沢で鈍い灰色の金属仕上げを有する付加層５０よりも光沢のある灰色の金属であり、特別な器具を使用することなく見ることができる。方法５００は、露出した部分５６にアルミナイドコーティング６６を施すステップのステップ５０５を含む（図７参照）。アルミナイドコーティングを施すステップのステップ５０５は、気相堆積またはゲルアルミナイドコーティングプロセスなどの任意の好適なプロセスで行われる。方法５００は、超合金構成要素１０上に新品同様にした保護アルミナイドコーティング９０を形成するために事前選択された高温で熱処理するステップのステップ５０７を含む。熱処理するステップは、基板７０の金属を広げるように超合金構成要素１０の温度を上昇させて、拡散領域６０からの材料が基板７０に流れ込み、基材と結合して、新品同様にした保護アルミナイドコーティング９０を形成できるようにするために炉を使用するステップを含む。方法５００の新品同様にした保護アルミナイドコーティング９０は、タービンの運用の前の新しい超合金構成要素８０のオリジナルのコーティング８２と整合するコーティングの微細構造およびコーティングの化学的性質を有する（図６、８、および９参照）。
【００２３】
選択的に除去するステップのステップ５０３の前に、被覆超合金構成要素１０はグリースを除去されるか、または湯洗いされて、被覆超合金構成要素１０の表面からいかなる残留油およびグリースも除去される。選択的に除去するステップのステップ５０３の後の追加のステップは、構成要素１０の露出した部分５６の上へのエアブラストを使用することによってグリットブラストからのいかなる残留グリットまたはデブリも除去するステップである。選択的に除去するステップのステップ５０３の後、およびアルミナイドコーティングを施すステップのステップ５０５の前の追加のステップは、被覆超合金構成要素を修復するステップである。方法５００は、例えば、限定はしないが、ブレード、静翼、ノズル、固定子、シュラウド、バケット、およびそれらの組合せを含む、アルミナイドコーティング除去を必要とする被覆超合金構成要素１０に適用する。
【００２４】
図６に示されるように、再被覆超合金構成要素１０の新品同様にした保護アルミナイドコーティング９０（図８参照）、タービンの運用の前の新しい超合金構成要素８０のオリジナルのコーティング８２（図９参照）、および被覆超合金構成要素１０の露出した部分５６（図７参照）の化学的比較が提供される。分析のために試料を準備するのに、各試料をニッケルめっき６６で被覆して、構成要素の切断の間の損傷から様々なコーティングを保護した。異なる試料の化学組成を分析するために、エネルギー分散型分光計（ＥＤＳ）を装備をした走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）が使用される（図１０〜１２参照）。図６のグラフで示されるように、新品同様にしたコーティング９０（図８参照）の化学組成、すなわち、アルミニウム含有量は、新しい超合金構成要素８０のオリジナルのコーティング８２のアルミニウム含有量をほとんど追従している（図９および顕微鏡写真図１２参照）。図６のグラフは、新品同様にした保護アルミナイドコーティング９０が、タービンの運用の前の新しい超合金構成要素８０のオリジナルのコーティング８２と実質的に整合するコーティングの微細構造およびコーティングの化学的性質を有していることを裏付けている（図６、８、および９参照）。
【００２５】
図７は、タービンで運用された被覆超合金構成要素１０の表面上の層の概略図である。図７に示されるように、酸化物層４０と付加層の一部とは被覆超合金構成要素１０から除去されている。図１０は、ＳＥＭを使用して、被覆超合金構成要素１０の層を示す顕微鏡写真である。元素分析によって証明されるように（図６参照）、アルミニウムリッチ層が除去されている。
【００２６】
図８は、新品同様にしたコーティング９０をもつ構成要素１０の表面上の層の概略図である。図８に示されるように、新品同様にしたコーティング９０は、基板７０に隣接する拡散領域６０を含む。図１１は、ＳＥＭを使用して、新品同様にしたコーティング９０を有する構成要素１０の層を示す顕微鏡写真である。元素分析によって証明されるように（図６参照）、新品同様にしたコーティング９０のアルミニウム含有量は、新しい超合金構成要素８０のオリジナルのコーティング８２または最初のコーティングのアルミニウム含有量とほぼ同じである。
【００２７】
図９は、運用の前のオリジナルのコーティング８２または最初のコーティングを有する新しい超合金構成要素８０の表面上の層の概略図である。
【００２８】
本発明を好ましい実施形態を参照しながら説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、均等物を本発明の要素と置き換えることができることが当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように多くの変形を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実行するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むことになることが意図されている。
【符号の説明】
【００２９】
１０  被覆超合金構成要素（運用の後の）
１２  エーロフォイル
１８  冷却孔
２０  拡散コーティング（運用の後の）
２２  拡散コーティングの厚さ（運用の後の）
４０  酸化物層
５０  付加層
５２  付加層の一部
５４  付加層の厚さ
５６  露出した部分（付加コーティングの）
６０  拡散領域
６６  ニッケル／銅めっき層（保護するため、および研究所において層を観察するために試料を切断することにのみ使用される顕微鏡写真）
７０  超合金基板
８０  オリジナルの被覆基板
８２  ＯＥＭコーティング（任意の運用時間の前の）
９０  新品同様にしたアルミナイドコーティング
４００  制御して除去する方法
４０１  構成要素を用意する
４０３  酸化物層と付加層の一部とを選択的に除去する
５００  新品同様にする方法
５０１  構成要素を用意する
５０３  酸化物層と付加層の一部とを選択的に除去する
５０５  アルミナイドコーティングを施す
５０７  拡散熱処理する
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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