(57)【要約】      （修正有）【課題】ダイ温度がα−β温度範囲付近である必要がない、α−β温度範囲でのチタン及びチタン合金のニアネットシェイプ鍛造のための改良された方法を提供する。【解決手段】チタンビレット１２をα−β温度範囲内の温度に加熱し、チタンビレットの温度より約５００°Ｆ低い温度を有する第１のダイ１８中にチタンビレットを押し出す。チタン部品をニアネットシェイプ鍛造するためのシステム１０は、α−β温度範囲内の温度を有するチタンビレット、及びチタンビレットと接触しているパンチ１４を含んでいる。チタンビレットと近接してチタンビレットを受容する第１のダイは、チタンビレットの温度より約５００°Ｆ低い温度を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．チタンビレット（１２）をα−β温度範囲内の温度に加熱し、
ｂ．チタンビレット（１２）を、チタンビレット（１２）の温度より約５００°Ｆ低い温度を有する第１のダイ（１８）中に押し出す
ことを含んでなる、チタン部品をニアネットシェイプ鍛造する方法。
【請求項２】
さらに、チタンビレット（１２）を、チタンビレット（１２）の温度より約６００°Ｆ低い温度を有する第１のダイ（１８）中に押し出すことを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
さらに、チタンビレット（１２）を断熱加熱することを含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
さらに、チタンビレット（１２）の温度をα−β温度範囲内に維持することを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
さらに、第１のダイ（１８）の第１の部分（３８）をチタンビレット（１２）に対して徐々に移動させることを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
さらに、第１のダイ（１８）の第２の部分（４０）をチタンビレット（１２）に対して徐々に移動させることを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
さらに、チタンビレット（１２）を第２のダイ（３６）中に押し出すことを含んでおり、第２のダイ（３６）がチタンビレット（１２）の温度より約５００°Ｆ低い温度を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
さらに、第２のダイ（３６）の第１の部分（３８）をチタンビレット（１２）に対して徐々に移動させる、請求項７記載の方法。
【請求項９】
さらに、第２のダイ（３６）の第２の部分（４０）をチタンビレット（１２）に対して徐々に移動させる、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ａ．α−β温度範囲内の温度を有するチタンビレット（１２）、
ｂ．チタンビレット（１２）と接触しているパンチ（１４）、及び
ｃ．チタンビレット（１２）に近接していてチタンビレット（１２）を受容するための第１のダイ（１８）であって、チタンビレット（１２）の温度より約５００°Ｆ低い温度を有する前記第１のダイ（１８）
を含んでなる、チタン部品をニアネットシェイプ鍛造するためのシステム（１０）。
【請求項１１】
第１のダイ（１８）がチタンビレット（１２）の温度より約６００°Ｆ低い温度を有する、請求項１０記載のシステム（１０）。
【請求項１２】
第１のダイ（１８）がパンチ（１４）に対して移動するように構成されている、請求項１０又は請求項１１記載のシステム（１０）。
【請求項１３】
第１のダイ（１８）が第１の部分（３８）及び第２の部分（４０）を含んでいる、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項記載のシステム（１０）。
【請求項１４】
第１のダイ（１８）の第１の部分（３８）が第１のダイ（１８）の第２の部分（４０）と独立して移動するように構成されている、請求項１３記載のシステム（１０）。
【請求項１５】
第１のダイ（１８）の一部分のみが一時にチタンビレット（１２）と接触している、請求項１３又は請求項１４記載のシステム（１０）。
【請求項１６】
さらに、第１のダイ（１８）からのチタンビレット（１２）を受容する第２のダイ（３６）を含んでいる、請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ニアネットシェイプ鍛造のためのシステムと方法に関する。特に、本発明の実施形態は、α−β温度範囲でチタン部品をニアネットシェイプ鍛造するためのシステムとプロセスを提供する。
【背景技術】
【０００２】
商業用機器はチタン又はチタン合金から作成された部品を含むことが多い。例えば、コンプレッサー及びタービンは通例静翼と動翼の交互の段を含んでいる。航空機エンジン及びガスタービンにおいて、コンプレッサー及びタービン動翼は高強度で軽量のチタン又はチタン合金から鍛造された比較的複雑で湾曲した輪郭を有することが多い。特に、動翼はα−β温度範囲でチタン合金から鍛造し得る。
【０００３】
ニアネットシェイプ鍛造は、対象物品の最初の形状が最終の（「ネット」）形状に極めて近い（「ニア」）技術である。例えば、ニアネットシェイプ鍛造では、最終の形状を達成するのに表面機械加工又は研磨を殆ど又は全く必要としない初期の形状にビレットを変形する。しかしながら、α−β温度範囲におけるチタン合金のニアネットシェイプ鍛造では、通例、α−β温度範囲の高い鍛造温度に耐えることができる高価なダイ材料が必要とされる。具体的にいうと、ダイ温度は通例、特定のチタン合金に応じて、α−β温度範囲でのチタン合金のニアネットシェイプ鍛造の間、この鍛造プロセス中のチタンビレットの冷却を最小にするために約１６００°Ｆ〜１８００°Ｆのビレット温度又はその付近に維持される。ニアネットシェイプ鍛造プロセスは、通例、鍛造プロセス中ダイとビレットとの間のほぼ等温の条件を維持するために真空中で実施される。このダイと関連機器の高価格のため、ニアネットシェイプ鍛造は、α−β温度範囲でチタン部品を鍛造するための費用効果的な選択となることが妨げられることが多い。その結果、チタン及びチタン合金から作成されるコンプレッサー及びタービン動翼は、開放ダイ鍛造、閉鎖ダイ鍛造、１以上の熱処理、及び高価な仕上げ処理を含む多段階プロセスで鍛造されることが多い。この多段階プロセスの結果、大量の材料が消耗し、余分な仕上げ処理コストがかかり、しかも最終製品の粒子組織は最適とはいえない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５９６４１２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在のところ、α−β温度範囲付近の高いダイ温度を必要としないでα−β温度範囲においてチタン又はチタン合金をニアネットシェイプ鍛造する鍛造技術は存在しない。従って、ダイ温度がα−β温度範囲付近である必要がない、α−β温度範囲でのチタン及びチタン合金のニアネットシェイプ鍛造のための改良された方法があれば有用であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様及び利点については、以下に記載されているが、以下の記載から自明であるか、本発明の実施を通じて確認することもできる。
【０００７】
本発明の一実施形態はチタン部品をニアネットシェイプ鍛造する方法である。この方法は、チタンビレットをα−β温度範囲内の温度に加熱し、このチタンビレットを、チタンビレットの温度より約５００°Ｆ低い温度を有する第１のダイ中に押し出すことを含んでいる。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、チタンビレットをα−β温度範囲内の温度に加熱し、チタンビレットと第１のダイとの間に約５００°Ｆの温度差を創成することを含む、チタン部品をニアネットシェイプ鍛造する方法である。
【０００９】
本発明はまた、チタン部品をニアネットシェイプ鍛造するためのシステムも包含する。このシステムは、α−β温度範囲内の温度を有するチタンビレットと、このチタンビレットと接触するパンチとを含んでいる。チタンビレットと近接してチタンビレットを受容する第１のダイはチタンビレットの温度より約５００°Ｆ低い温度を有する。
【００１０】
本明細書を参照することによって、当業者はこれらの実施形態の特徴及び態様などについて理解を深めることができるであろう。
【００１１】
添付の図面を含めて以下の明細書では、最良の態様を含めて本発明の十分で実施可能な開示をより具体的に当業者に示す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するための図解する。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するための図解する。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するための図解する。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するためのシステムを図解する。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するためのシステムを図解する。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するためのシステムを図解する。
【図７】図７は、本発明の第３の実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するためのシステムを図解する。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するためのシステムを図解する。
【図９】図９は、本発明の第４の実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するためのシステムを図解する。
【図１０】図１０は、本発明の第４の実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するためのシステムを図解する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで、本発明の現在の実施形態を詳細に参照するが、その１以上の実例を添付の図面に示す。以下の詳細な説明では、参照数字及び文字を用いて図面中の特徴を引用する。図面及び説明中では、同様又は類似の符号を用いて本発明の同様又は類似の部分を参照する。
【００１４】
各例は本発明の説明のためのものであって、本発明を限定するものではない。実際、当業者には明らかなように、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく本発明の修正及び変形が可能である。例えば、一実施形態の一部として例示又は記載された特徴を別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を実現することができる。従って、本発明は、特許請求の範囲及びその均等の範囲内に入るものとして、かかる修正及び変形を包含するものである。
【００１５】
本発明の様々な実施形態は、チタン合金を含めてチタンを、α−β温度範囲内でニアネットシェイプ鍛造するためのシステムと方法を提供する。特定の実施形態において、α−β温度範囲のチタンビレットが、ダイを通して、又はダイ中に放射状に、順次押し出されるが、この間ダイの温度はチタンに対するα−β温度範囲より十分低く維持される。押出の速度を制御して、ビレット内に生じる断熱加熱の量が、失われる又はより低い温度のダイに移される熱の量とほぼ等しくなるように調節することができる。加えて、押出プロセスの速度と順序を制御して、変形されたビレット内に所望の結晶粒度並びに流れ及び／又は残留圧縮応力を付与し得る。結晶粒度及び流れは変形したビレットのサイクル疲労特性に直接影響し、残留圧縮応力は変形したビレットの亀裂成長耐性を高める。こうして、順次の押出プロセスは組み合わせて、単一の変形したビレットが、いろいろな大きさ及び配向の結晶粒子と、変形したビレット内の異なる位置において残留圧縮応力を有することを可能にする。本発明の様々な実施形態はコンプレッサー又はタービン翼の蟻継ぎ又は翼に鍛造されたチタンビレットに関連して記載され例証されているが、特許請求の範囲に具体的に記載されていない限り、本発明が特定のビレット材料又は最終生成物に限定されないということは当業者には容易に理解されよう。
【００１６】
図１、２、及び３は、本発明の一実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するためのシステム１０と方法を図解する。図に示されているように、システム１０は、一般に、ビレット１２、パンチ１４、押出容器１６、及びダイ１８を含んでいる。ビレット１２は、当業者に公知の任意の熱源を用いてα−β温度範囲内の温度に加熱されたチタン又はチタン合金からなり得る。α−β温度範囲の実際の温度は使用する特定のチタン合金に依存し、使用する特定のチタン合金に応じて約１６００−１８００°Ｆであり得る。パンチ１４はビレット１２と接触しており、所望の力又は歪みをパンチ１４に供給して、ビレット１２を押出容器１６を介してダイ１８中に、又はこれを通して押し出すために当技術分野で知られている任意の適切なプレス（図には示してない）に接続し得る。押出容器１６は、押出前のビレット１２を保持する容積を提供し、使用する特定のチタン合金のα−β温度範囲内の温度に耐えることができる任意の適切な構造体からなり得る。ダイ１８はビレット１２を受容するようにビレット１２に近接しており、鍛造されたビレット１２のための所望の形状を提供し得る。ダイ１８は約５００−１３００°Ｆまでの温度に耐えることができる任意の適切な構造体からなり得る。
【００１７】
図１に示されているように、ビレット１２は押出容器１６内に収容し得る。パンチ１４は第１の開口部２０に位置し得、ダイ１８は押出容器１６の第２の開口部２２に位置し得る。こうして、パンチ１４にかけられる力は、押出容器１６及びダイ１８に対してパンチ１４を移動させて、図２及び３に順に示されているようにビレット１２をダイ１８中に、又はダイ１８を通して押し出し得る。
【００１８】
ダイ１８はビレット１２の温度より実質的に低い温度を有し得、ダイ１８に必要とされる材料のコストを低減し得る。例えば、ダイ１８はビレット１２の温度より約５００°Ｆ、６００°Ｆ、１０００°Ｆ、又はそれ以上低い温度を有し得、これに対応して、ダイ１８とビレット１２との間に約５００°Ｆ、６００°Ｆ、１０００°Ｆ、又はそれ以上の温度差を創成し得る。このダイ１８とビレット１２との間の温度差の結果、ビレット１２の伝導及び／又は対流冷却が起こる。システム１０のプロセスパラメーターを制御又は調整して、押出プロセスの間にビレット１２内に生じる断熱加熱の量を調節し得る。例えば、押出容器１６の大きさ又は直径及び／又はパンチ１４によりかけられる歪み速度を制御又は調整して、押出プロセス中にビレット１２内に生じる断熱加熱の量を変化させて、ダイ１８に移される熱をほぼ釣り合わせ得る。特定のシステム、チタン合金、ダイ１８の大きさ、及び様々なその他のプロセスパラメーターに応じて、断熱加熱はビレット１２の温度を５０°Ｆ、７０°Ｆ、又はそれ以上上昇させ得る。その結果、システム１０は押出プロセス中ビレット１２の温度をα−β温度範囲内に維持し、所望の結晶粒度と方向を有し、研磨又はその他の最終加工プロセスを殆ど又は全く必要としない、図３に見られるニアネットシェイプのチタン蟻継ぎ２４を生成する。
【００１９】
図４及び５並びに６、７、及び８は、本発明の代わりの実施形態による中間鍛造のためのシステム３０と方法を図解する。図４及び５並びに図６、７、及び８に示したシステム３０は、既に記載し図１、２、及び３に関して図解したシステム１０と共に、又は独立に使用し得る。例えば、図１、２、及び３に関して記載し図解したシステム１０を用いて生成したチタン蟻継ぎ２４は、図４及び５又は図６、７、及び８に図解したいずれかの実施形態を使用してさらに鍛造し得る。或いは、図４及び５又は図６、７、及び８に図解したシステム３０は、中間のチタンビレットを鍛造するために独立のシステムとして使用してもよい。
【００２０】
図４及び５並びに図６、７、及び８に示したシステム３０は、一般に、図１、２、及び３に関して既に記載したようなビレット３２を含んでいる。具体的には、ビレット３２は、当業者に知られている任意の熱源を用いてα−β温度範囲内の温度に加熱されたチタン又はチタン合金からなり得る。さらに、システム３０は固定パンチ３４及びダイ３６を含んでいる。固定パンチ３４はビレット３２と接触してそれを正しい位置に保持する。
【００２１】
図４及び６に示されているように、ダイ３６はビレット３２に近接していてビレット３２を受容し、鍛造されたビレット３２の所望の形状を提供する。ダイ３６は約５００−１３００°Ｆまでの温度に耐えることができる任意の適切な構造体からなり得、互いに独立して連続的及び／又は徐々に移動し得る複数の部分を含んでいてもよい。例えば、図４及び５並びに６、７、及び８に示されているように、ダイ３６は第１の部分３８と第２の部分４０を含み得る。プレス（図には示してない）が第１と第２の部分３８、４０を固定パンチ３４に対して徐々に及び／又は連続的に動かしてビレット３２をダイ３６中に、又はこれを通して次第に押し出すことができる。ダイ３６の複数の部分に徐々に及び／又は連続的に圧力をかけることによって、ダイ３６とビレット３２との間の接触点が低減する。その結果、ビレット３２を鍛造するのに必要とされる歪み速度が低減し、より小さい能力のプレスでビレット３２を鍛造するための所望の歪み速度を提供することが可能になる。加えて、ダイ３６の複数の部分の徐々に増加する及び／又は連続的な移動により、鍛造されたビレット３２の亀裂成長耐性を高める望ましい残留圧縮応力がビレット３２内に生じる。
【００２２】
第１の実施形態に関して記載したダイ１８と同様に、図４及び５並びに６、７、及び８に示したダイ３６はビレット３２の温度より実質的に低い温度を有し得、ダイ３６に必要とされる材料のコストを低減し得る。例えば、ダイ３６はビレット３２温度より約５００°Ｆ、６００°Ｆ、１０００°Ｆ、又はそれ以上低い温度を有し得、対応してダイ３６とビレット３２との間に約５００°Ｆ、６００°Ｆ、１０００°Ｆ、又はそれ以上の温度差を生じさせ得る。このダイ３６とビレット３２との温度差により、ここでも結果としてビレット３２の伝導及び／又は対流冷却が得られる。その結果、ここでもシステム３０のプロセスパラメーターを制御又は調整して、押出プロセス中にビレット３２内に生じる断熱加熱の量を調節し得る。例えば、プレスにより交互に及び／又は連続的に第１及び第２の部分３８、４０にかけられる歪み速度を制御又は調整して、押出プロセス中にビレット３２内に生じる断熱加熱の量を変化させ得る。特定のシステム、チタン合金、ダイ３６の部分３８、４０の大きさと数、及びその他様々なプロセスパラメーターに応じて、断熱加熱はビレット３２の温度を必要に応じて上昇させて、ダイ３６に移される熱をほぼ釣り合わせさせ得る。その結果、ここでもシステム３０は押出プロセスの間ビレット３２の温度をα−β温度範囲内に維持し、図５及び８に示した中間のビレット３２を生成する。
【００２３】
図９及び１０は、本発明の第４の実施形態に従ってニアネットシェイプ鍛造するためのシステム５０を図解する。先の実施形態と同様に、図９及び１０に示したシステム５０は既に記載し図解したシステム１０、３０と共に又は独立に使用し得る。例えば、図４及び５又は６、７、及び８に関して記載し図解したシステム３０を用いて生成した中間のビレット３２を、図９及び１０に図解した実施形態を使用してさらに鍛造してニアネットシェイプ部品を製造し得る。
【００２４】
図９及び１０に示したシステム５０は、一般に、図４及び５並びに６、７、及び８に示した実施形態に関して既に記載したようなビレット５２、固定パンチ５４、及びダイ５６を含んでいる。具体的には、ビレット５２は当業者に公知の任意の熱源を用いてα−β温度範囲内の温度に加熱されたチタン又はチタン合金からなり得る。さらに、固定パンチ５４はビレット５２と接触してこれを正しい位置に保持し、ダイ５６はここでもビレット５２を受容するためにビレット５２に近接している。
【００２５】
ダイ５６は約５００−１３００°Ｆまでの温度に耐えることができる任意の適切な構造体からなり得、互いに独立して連続的及び／又は徐々に動き得る複数の部分を含んでいてもよい。例えば、図９及び１０に示されているように、ダイ５６は第１の部分５８と第２の部分６０を含み得る。プレス（図には示してない）が第１と第２の部分５８、６０を固定パンチ５４に対して徐々に及び／又は連続的に動かして、ビレット５２をダイ５６中に次第に押し出し得る。ダイ５６の複数の部分に徐々に及び／又は連続的に圧力をかけることによって、ダイ５６の複数の部分とビレット５２との間の接触点が低減する。その結果、ビレット５２を鍛造するのに必要とされる歪み速度が低減し、より小さい能力のプレスで、ビレット５２を鍛造する所望の歪み速度が得られるようになる。加えて、ダイ５６の複数の部分の徐々に増加する及び／又は連続的な動きによって、鍛造されたビレット５２の亀裂成長耐性を高める望ましい残留圧縮応力がビレット５６内に生じる。
【００２６】
先の実施形態と同様に、ダイ５６はビレット５２の温度より実質的に低い温度を有し得、ダイ５６に必要な材料のコストを低減し得る。例えば、ダイ５６はビレット５２の温度より約５００°Ｆ、６００°Ｆ、１０００°Ｆ、又はそれ以上低い温度を有し得、それに対応してダイ５６とビレット５２との間に約５００°Ｆ、６００°Ｆ、１０００°Ｆ、又はそれ以上の温度差を創成し得る。このダイ５６とビレット５２との間の温度差により、ここでも結果としてビレット５２の伝導及び／又は対流冷却が得られる。その結果、ここでもシステム５０のプロセスパラメーターを制御又は調整して、押出プロセス中にビレット５２に生じる断熱加熱の量を調節し得る。例えば、プレスにより交互に及び／又は連続的に第１と第２の部分５８、６０にかけられる歪み速度を制御又は調整して、押出プロセス中にビレット５２内に生成する断熱加熱の量を変化させ得る。特定のシステム、チタン合金、ダイ５６の部分５８、６０の大きさと数、及びその他様々なプロセスパラメーターに応じて、断熱加熱はビレット５２の温度を必要に応じて上昇させ、ダイ５６に移される熱とほぼ適合させ得る。結果として、システム５０はここでも押出プロセスの間ビレット５２の温度をα−β温度範囲内に維持し、その結果図１０に示され、所望の結晶粒度及び配向及び残留圧縮応力を有し、また研磨又はその他の最終加工プロセスを殆ど又は全く必要としないニアネットシェイプビレット５２が生成する。
【００２７】
当業者には容易に理解されるように、既に記載した実施形態を任意の順序で順次組み合わせて、複雑な曲線を有するニアネットシェイプチタン部品を鍛造するためのシステムと方法を提供し得る。例えば、図１、２、及び３に関して記載し図解した第１のダイ１８を用いて鍛造されたチタンビレット１２はその後図４及び５又は６、７、及び８に関して記載した第２のダイ３６を用いて鍛造し得、また、中間のチタンビレット３２はその後図９及び１０に関して記載した第３のダイ５６を用いて鍛造し得る。既に記載したように、順序、量、及び各ダイ１８、３６、５６にかけられる歪み速度を調整又は制御して、鍛造されたビレット内に生じる断熱加熱の量を調節することができ、こうしてあまり高価でないダイを使用してもビレットの温度をα−β温度範囲内に維持することが可能になる。加えて、順序、量、及び各ダイ１８、３６、５６にかけられる歪み速度を調整又は制御して、様々なチタンビレット１２、３２、５２内に粒子組織の所望の大きさ、位置、及び配向及び／又は残留圧縮応力を生成し得る。その結果、既に記載し図解した実施形態の組合せで、追加の仕上げ処理又は加工処理を必要とすることなく、異なる結晶粒子を有する複数のゾーンと圧縮応力特性をもつチタン製品を製造し得る。最後に、ダイの徐々に増大する及び／又は引き続く動きの結果、ダイとビレットとの間の接触点が低減し、プレスが増大した歪み能力を有する必要性が回避される。
【００２８】
本明細書の記載では例を用いて、最良の態様を含めて本発明を開示し、また、当業者が本発明を実施する、例えば、あらゆる装置又はシステムを作成し使用し、またあらゆる組み込まれた方法を実行することができるようにした。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲に定義されており、当業者には自明の他の例を包含し得る。かかる例及びその他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含むか、又は特許請求の範囲の文言と実質的でない差を有する等価な構造要素を含む場合、これらは特許請求の範囲内に包含されるものと考えられる。
【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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