JP2019519684A

JP2019519684A - 改善されたコーティングシステムを備える翼形部およびその形成方法

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Publication number: JP2019519684A
Application number: JP2018563049A
Authority: JP
Inventors: ナガラジュ，バンガロール・アスワタ; クラーク，マイケル・デビッド; シーツ，スーザン・リー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2019-07-11
Also published as: CA3026115A1; US11181000B2; US20200024976A1; WO2018048486A1; EP3464658A1; US20170350261A1; US10202855B2; CN109154035A

Abstract

超合金部品（１９）の表面（１３）に施すコーティングシステム（１８）を提供している。本コーティングシステム（１８）は、超合金部品（１９）の表面（１３）上に施されるＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）を備え、Ｍはニッケル、鉄、コバルト、またはそれらの組み合わせである。ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、通常超合金部品（１９）のクロム含有量よりも高いクロム含有量を有する。ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）はまた、白金族金属アルミナイド拡散層を含む。ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）はレニウム、タンタル、またはそれらの混合物を含む。また、超合金部品（１９）の表面（１３）上にコーティングシステム（１８）を形成する方法を提供している。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、概して構成部品の保護コーティングに関し、より詳細には、翼形部を有するガスタービン部品上のＭＣｒＡｌＹコーティングおよび白金族金属アルミナイドコーティングに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気がエンジンの前部に引き込まれ、これがシャフト搭載型コンプレッサによって圧縮され、かつ燃料と混合される。この混合物を燃焼して得られた高温の燃焼ガスを、同じシャフトに搭載されたタービンに通している。このガスの流れは、タービンブレードの翼形部に接触することによってタービンを回転させ、これによりシャフトを回転させ、かつコンプレッサに動力を供給している。タービンガスが高温になるほど、エンジンがより効率的に動作するようになる。したがって、タービン動作温度の上昇を促す動機が存在している。しかしながら、タービンガスの最高温度は、タービンのタービンベーンとタービンブレードとを製造するのに使用される材料によって通常制限されている。

基板として作用する保護層を、タービンブレードまたはタービンベーン部品の翼形部に施している。現在知られている拡散保護層の中には、アルミナイド層と白金アルミナイド層とがある。この保護層は、高温で腐食性の高い燃焼ガスによる環境損傷から基板を保護している。この保護層は、上層のセラミック層を施さずとも、中温用途に有用である。より高温の用途では、セラミック遮熱コーティング層を保護層の上に施して、遮熱コーティング（ＴＢＣ）システムを形成することができる。セラミック遮熱コーティング層は、排気ガスから構成部品を断熱しており、基板の特定の材料および製造プロセスを使用すれば通常なら可能となる排気ガスの高温化に対処できるようにしている。

これらの保護技術を使用しても、特定の運転条件下、とりわけ船舶用タービンエンジンは、当該動作環境における塩水に関連する過酷な状況にさらされているため、克服すべき課題が残っている。

米国特許出願公開第２０１３／１５７０７８号明細書

本発明の目的および利点に関して、その一部を以下の説明に記載しているが、これはあるいは本明細書から自明であり得、あるいは本発明の実施を通じて理解され得る。

コーティングシステムは一般に、超合金部品の表面に施されている。一実施形態では、このコーティングシステムは超合金部品の表面上のＭＣｒＡｌＹコーティングを備え、ここで、Ｍはニッケル、鉄、コバルト、またはそれらの組み合わせである。ＭＣｒＡｌＹコーティングは通常、超合金部品のクロム含有量よりも高いクロム含有量を有する。ＭＣｒＡｌＹコーティングはまた、白金族金属アルミナイド拡散層を含む。１つの特定の実施形態では、ＭＣｒＡｌＹコーティングはレニウム、タンタル、またはそれらの混合物を含む。

また、概して超合金部品の表面上にコーティングシステムを形成する方法を提供する。一実施形態では、本方法は、ＭＣｒＡｌＹ層を超合金部品の表面上に形成することであって、前記ＭＣｒＡｌＹ層のクロム含有量は、前記超合金部品のクロム含有量よりも高く、ここで、Ｍがニッケル、鉄、コバルト、またはそれらの組み合わせである、ことと、前記ＭＣｒＡｌＹ層上に白金族金属層を形成することと、前記白金族金属層を約９００℃〜約１２００℃の処理温度まで加熱することと、前記白金族金属層上にアルミナイドコーティングを形成することとを含む。

本発明の他の特徴および態様については、以下に詳述する。

添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより、本発明について最もよく理解することができる。

ガスタービンエンジンにおけるタービンブレードなどの構成部品の斜視図である。ガスタービンエンジンにおけるノズルセグメントなどの別の構成部品の斜視図である。熱処理前に、図１Ａまたは図１Ｂに示す翼形部などの構成部品の表面上に施される例示的なＭＣｒＡｌＹコーティングの断面図である。熱処理およびＴＢＣ形成後における、ＭＣｒＡｌＹコーティングを含む例示的なコーティングシステムの断面図である。翼形部の表面上にコーティングを形成する例示的な方法を示すブロック図である。翼形部の表面上のコーティングを修復する例示的な方法を示すブロック図である。

本明細書および図面で参照番号を反復使用することにおいては、本発明の同一または類似の特徴もしくは要素を表すことを意図している。

ここで、本発明のいくつかの実施形態を参照し、これらのうちの１または複数の実施例を以下に示す。各実施例を、本発明を限定するものとしてではなく、本発明を説明するものとして提示している。実際、本発明の範囲または趣旨を逸脱せずに、様々な修正形態および変形形態を本発明において創出できることが当業者には明らかとなる。たとえば、一実施形態として例示または記載している特徴を別の実施形態で使用し、さらに別の実施形態を創出することができる。したがって、本発明は、そのような修正形態と変形形態とを、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲に含まれるものとして包含することが意図されている。当業者であれば、本説明は例示的な実施形態を説明するものに過ぎず、本発明のより広範な態様を限定するものではなく、これらのより広範な態様は例示的な構成を具体化したものであると理解するべきである。

コーティングシステムは一般に、タービンエンジンの高温ガス経路部品（たとえば、翼形部）のために、その形成方法と共に実施されている。具体的には、このコーティングシステムは、とりわけ腐食性動作環境にさらされる船舶用タービンエンジンの超合金部品に有用である。このコーティングシステムは、Ｍがニッケル、鉄、コバルト、またはそれらの組み合わせであるＭＣｒＡｌＹコーティングを少なくとも含む、多層化学を有する。１つの特定の実施形態では、ＭＣｒＡｌＹ層と白金族金属アルミナイドコーティングとから拡散コーティング法を介してＭＣｒＡｌＹコーティングを形成している。このＭＣｒＡｌＹ層は、その膜形成組成物および処理後の組成物の両方において、超合金部品のクロム含有量よりも高いクロム含有量を有する。さらに、ほとんどの実施形態では、ＭＣｒＡｌＹ層はその組成物内に強化成分（たとえば、レニウム、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、ケイ素、またはそれらの混合物）を含む。たとえば、成膜直後のＭＣｒＡｌＹ層（たとえば、白金めっきおよびアルミニウム膜形成の前）は、約５重量％〜約７重量％のタンタルおよび／または約１重量％〜約３重量％のレニウムを含んでいてもよい。必要に応じて遮熱コーティングを、ＭＣｒＡｌＹコーティングにおいて構成部品の反対側の表面上に施している。

本コーティングシステムは、低サイクル疲労破壊などの特性低下に対するガスタービン部品の感受性を軽減する一方で、前記部品に施される保護コーティングに関連する利点を保持することができる。本アプローチを、通常の製造作業の一部として大きな修正を加えることなく遂行することができる。また、構成部品の表面とＭＣｒＡｌＹコーティングとの間かつ／またはＭＣｒＡｌＹコーティング構造内（たとえば、ＭＣｒＡｌＹ層と白金族金属アルミナイドコーティングとの間）に、任意の追加のボンドコーティングまたは他の層を使用することを、特定の実施形態では回避することができる。すなわち、本実施形態では、ＭＣｒＡｌＹ層を構成部品の表面上に直接施し、かつ／または白金族金属アルミナイドコーティングをＭＣｒＡｌＹ層上に直接施して、ＭＣｒＡｌＹコーティングを形成している。遮熱コーティングを施す場合、本コーティングシステムでは、ＭＣｒＡｌＹコーティング（たとえば、ＭＣｒＡｌＹコーティングにおける白金族金属アルミナイドコーティング）と遮熱コーティングとの間にボンドコーティングを施す必要がなくなる（たとえば、遮熱コーティングをＭＣｒＡｌＹコーティングにおける白金族金属アルミナイドコーティング上に直接施している）。

図面を参照すると、図１Ａは、ガスタービンブレードとして示している、ガスタービンエンジンの例示的な構成部品５を図示している。タービンブレード５は翼形部６と、横方向に延在するプラットフォーム７と、タービンディスク（図示せず）にガスタービンブレード５を装着するためのダブテール形式のアタッチメント８とを備える。いくつかの構成部品においては、複数の冷却チャネルが翼形部６の内部を貫通しており、これらは翼形部６の表面の開口部９で終端している。開口部９は、特定の実施形態ではフィルム孔であってもよい。

図１Ｂは、接続されるとガスタービンエンジンの環状ノズルアセンブリを形成する、複数のノズルセグメントの１つであるノズルセグメント１０を表している。セグメント１０は、各々が翼形部を画定しており、かつ外側プラットフォーム（バンド）ならびに内側プラットフォーム（バンド）１４および１６の間に延在している複数のベーン１２で構成されている。ベーン１２とプラットフォーム１４および１６とを、プラットフォーム１４および１６に画定される開口部内で各ベーン１２の端部をろう付けするなどして別々に形成でき、次いでこれらを組み立てることができる。あるいは、セグメント１０全体を一体鋳造品として形成することができる。ベーン１２は前縁部２２と、後縁部２４と、正圧面２６（すなわち、凹面）と、負圧面２８（すなわち、凸面）とを通常有する。前縁部２２については、翼形部１２の最も前方の点（突端）によって画定されるように記載している場合がある。

ノズルセグメント１０を他のノズルセグメントと共に組み立ててノズルアセンブリを形成するとき、セグメントにおける内側プラットフォームと外側プラットフォームとはそれぞれ一続きの内側バンドと外側バンドとを形成し、それらの間でベーン１２は円周方向に離間し、かつ半径方向に延在している。ノズルアセンブリが個々のノズルセグメントを有する構造は、通常採用される冷却方式の複雑さを考慮すると好都合であることが多い。図１Ｂに示すノズルセグメント１０は、２つのベーン１２が各セグメント１０と関連付けられているため、ダブレットと呼ばれている。ノズルセグメントに２つを超えるベーン、たとえば３つのベーン（トリプレットと呼ばれる）、４つのベーン、６つのベーンを設けるか、または単一のベーンを設けて、シングレットと呼ばれるものを形成することができる。当該技術分野で知られているように、シングレット鋳造とダブレット鋳造との間で設計を選択する際、それらが有する異なる構造と加工とに関連する利点が考慮されている。シングレットノズル構造の重要な利点は、ベーン１２周辺に優れたコーティング厚さ分布を実現できることにあり、これにより、耐酸化性と耐食性とを促進することに加えて、ノズル間のスロート領域の制御と、異なる段にあるベーン間の均一性とが促進されている。一方、ダブレット鋳造では、コーティング厚さを制御する回数が少ないにもかかわらず、高温ろう付け作業の必要性を回避している。

一実施形態では、図１Ａのタービンブレード５の翼形部６と図１Ｂのノズルセグメント１０のベーン１２とをエンジンのタービンセクション内に配置しており、これらはエンジンの燃焼器から高温の燃焼ガスを受けている。強制空冷技術（たとえば、フィルム孔１５を介して）を利用することに加えて、これらの構成部品の表面は、それぞれの表面上のコーティングシステム１８によって保護されている。

図１Ａのタービンブレード５の翼形部６と図１Ｂのノズルセグメント１０のベーン１２とを、所望の形状に形成でき、かつセグメントが設置されるガスタービンの領域において、意図した動作温度で所要の運転荷重に耐えることができる材料から形成することができる。このような材料の例には、チタン基合金、アルミニウム基合金、コバルト基合金、ニッケル基合金、および鋼基合金が含まれるが、これらに限定されない金属合金が含まれる。１つの特定の実施形態では、図１Ａの翼形部６および／または図１Ｂのベーン１２をニッケル基超合金、コバルト基超合金、または鉄基超合金などの超合金金属材料から形成している。いくつかの典型的な実施形態では、この超合金部品は、微細なγ−（Ｍ）（面心立方体）およびβ−（Ｍ）Ａｌ（体心立方体）の２相構造を有する。β−（Ｍ）Ａｌ相はアルミニウム（Ａｌ）リザーバである。表面近くのアルミニウムは、拡散コーティングした基板の表面上にα−Ａｌ_２Ｏ_３熱成長酸化物を形成するＴＢＣ界面への拡散によって、使用中に消耗する可能性がある。

タービンブレード５とノズルセグメント１０とに関して上述し、かつ図１Ａおよび図１Ｂに記載しているが、本コーティングシステムを、ガスタービンエンジンの任意の構成部品に対して使用することができる。

図２を参照すると、熱処理前のＭＣｒＡｌＹコーティング２２を含むコーティングシステム１８が示されており、またこのＭＣｒＡｌＹコーティング２２が、超合金部品１９（たとえば、翼形部１２）の表面上のＭＣｒＡｌＹ層２０と、白金族金属層３０と、アルミナイドコーティング３４とから形成されていることが示されている。

ＭＣｒＡｌＹ層２０を、白金族金属層を形成する前に、約２５重量％以下のクロム（たとえば、約１０重量％〜約２５重量％のクロム）、約６重量％〜約７重量％のアルミニウム、約１重量％以下のハフニウム（たとえば、約０．１重量％〜約１重量％のハフニウム）、約０．５重量％以下のイットリウム（たとえば、約０．１重量％〜約０．５重量％のイットリウム）、約８重量％〜約１２重量％のコバルト、約５重量％〜約７重量％のタンタル、約１重量％〜約３重量％のレニウム、約０．５重量％〜約１．５重量％のケイ素、約０．５重量％以下のジルコニウム（たとえば、約０．０００１重量％〜約０．５重量％のジルコニウム）、および平衡ニッケルを含む組成をもって蒸着している。ＭＣｒＡｌＹ層２０を、表面１３上に約１０μｍ（マイクロメートル）〜約１００μｍ（たとえば、約１５μｍ〜約５０μｍ）の厚さに形成している。ＭＣｒＡｌＹ層２０を比較的薄く（すなわち、１００μｍ未満に）保つことにより、マスクまたは他の堆積阻止法を使用しなくても、表面内に画定される任意のフィルム孔を開放したままにすることができる。

これにより、ＭＣｒＡｌＹ層２０を、任意の適切な塗布法に従って構成部品の表面上に形成している。限定されない実施例としては、プラズマ蒸着法（たとえば、イオンプラズマ蒸着法、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）法、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）法、およびプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法）、高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）法、高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）法、物理蒸着（ＰＶＤ）法、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法、コールドスプレーイング法、およびレーザアブレーション法が挙げられる。一実施形態では、熱溶射法（たとえば、ＶＰＳ、ＬＰＰＳ、ＨＶＯＦ、ＨＶＡＦ、ＡＰＳ、および／またはコールドスプレーイング法）によってＭＣｒＡｌＹ層２０を施している。１つの特定の実施形態では、イオンプラズマ蒸着法によってＭＣｒＡｌＹ層２０を形成している。

白金族金属層３０をＭＣｒＡｌＹ層２０上に蒸着している。白金族金属層３０は白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、またはそれらの混合物を通常含む。これらの元素は同様の物理的特性および化学的特性を有しており、同じ鉱床内で同時に発生する傾向がある。一実施形態では、パラジウム族白金族金属（すなわち、白金、ロジウム、パラジウム、またはそれらの混合物）を白金族金属層３０に含めている。特定の一実施形態では、白金族金属層３０は通常白金を含むが、他の元素（たとえば、パラジウムおよび／またはロジウム）を含んでいてもよい。一例として、白金族金属層３０は白金−パラジウム合金、白金−ロジウム合金、または白金−パラジウム−ロジウム合金を含むことができる。一実施形態では、白金族金属層３０は少なくとも５０重量％（たとえば、約７５重量％〜約１００重量％）の白金を含む。

ほとんどの実施形態では、白金族金属層３０の適切な厚さは約１μｍ〜約１０μｍ（たとえば、約３μｍ〜約７μｍ）である。図示の実施形態では、白金族金属層がこのように比較的薄くなる性質を有しているために、白金族金属層３０を表面１３上に直接形成している。したがって、表面１３と白金族金属層３０との間に他の層（たとえば、ボンドコーティング）を何ら施していない。

任意の適切なプロセスによって、白金族金属層３０を形成することができる。一例として、特定の一実施形態では、白金族金属層３０を電着法（たとえば、電気めっき法）によって蒸着しているが、スパッタリング法、ブラシめっき法などを代わりに採用することもできる。めっき法は室温（たとえば、約２０℃〜約２５℃）で行うことができる。一実施形態では、白金族金属含有溶液（たとえば、白金含有溶液）を蒸着槽に投入して、この溶液からの白金族金属を表面１３上に蒸着することにより、電着法を遂行している。一例として、白金を蒸着する場合、白金含有水溶液はＰｔ（ＮＨ_３）_４ＨＰＯ_４を含むことができ、また面している部品表面の１平方フィートあたり約２分の１アンペア〜約１０アンペアで電源または電流源を動作させることができる。蒸着の際、白金族金属層３０を表面１３でマスクしていない部分（すなわち、後縁部２４）上に蒸着している。

必要に応じて、白金族金属層３０を熱処理してもよい。一例として、白金族金属層３０を約９００℃〜約１２００℃の処理温度で熱処理することができる。一実施形態では、白金族金属層３０を真空熱処理（たとえば約１トル以下の処理圧力など、約１０トル以下の処理圧力で）している。

翼形部１２の表面１３に酸化防止コーティングを施して、耐酸化性をさらに促進している。特定の一実施形態では、この酸化防止コーティングは、アルミニウム金属間化合物、ガンマ相、ガンマプライム相などを含み得る拡散アルミナイドコーティング３４である。アルミナイドコーティング３４を白金族金属層３０の上に蒸着している。アルミナイドコーティング３４を、任意の適切な方法によって約２μｍ〜約１００μｍ（たとえば、約３５μｍ〜約７５μｍなど、約２５μｍ〜約１００μｍとなる）の厚さに形成することができる。一例として、アルミナイドコーティング３４を、拡散浸透処理によるアルミナイド処理、または気相アルミナイド処理を含む他のプロセスなど、任意の使用可能な手法によって蒸着することができる。

一実施形態では、気相アルミナイド処理によってアルミナイドコーティング３４を蒸着している。一例として、塩化水素またはフッ化水素などのハロゲン化水素ガスをアルミニウム金属またはアルミニウム合金と接触させて、対応するハロゲン化アルミニウムガスを生成している。必要に応じて、他の元素を対応するガスからアルミニウム層にドープしてもよい。ハロゲン化アルミニウムガスを表面１３に接触させて、その上にアルミニウムを蒸着している。この蒸着は、サイクル時間（たとえば、４時間〜２０時間サイクル）において、約９００℃〜約１１２５℃などの高温で発生している。アルミナイドコーティング３４の厚さは、好ましくは約１２マイクロメートル〜約１２５マイクロメートル（たとえば約３５μｍ〜約７５μｍなどの、約２５μｍ〜約１００μｍとなる）である。この蒸着法により、必要に応じてハロゲン化物ガスから合金化元素をアルミナイドコーティング３４内に共蒸着することができる。

アルミニウムの蒸着は高温で行われるので、蒸着されたアルミニウム原子は、白金族金属層３０（または相互拡散される白金または基板領域）および／または拡散領域を形成している表面１３の材料と相互拡散する。

図２に示す実施形態では、アルミナイドコーティング３４を表面１３全体、すなわち表面１３に存在しているあらゆる空洞およびあらゆるフィルム孔上と、白金族金属層３０上とに蒸着している。加工中、アルミナイドコーティングは白金族金属層３０と反応して白金族金属アルミナイドコーティング３１を形成する。この白金族金属アルミナイドコーティング３１は、白金改質アルミナイド（ＰｔＡｌ）などの白金族金属およびアルミニウムを含むが、別の成分（たとえば、白金改質ニッケルアルミナイド）を含んでいてもよい。したがって、白金族金属めっきとそれに続く拡散アルミナイドは「白金アルミナイド層」をもたらし、ここでは、拡散アルミナイドに加えて、そのコーティングの外層が白金族金属（たとえば、白金）を有する状態となる。

図２に示すＭＣｒＡｌＹ層２０、白金族金属層３０、およびアルミナイドコーティング３４を熱処理した後、ＭＣｒＡｌＹコーティング２２を、図３に示す内側部分２１、中間部分３１、および外側部分３５によって画定される、その厚さ全体にわたる組成勾配を有するように形成している。一実施形態では、約９７５℃〜約１１２５℃の処理温度（たとえば、約１時間〜約４時間の処理時間）で、真空で熱処理を行っている。

通常、結果として得られる熱処理済みのＭＣｒＡｌＹコーティング２２は、その厚さ全体にわたってある組成勾配を有し、かつ内側部分２１、中間部分３１、および外側部分３５を含む。内側部分２１は、通常構成部品に隣接しているが、外側部分３５は構成部品の反対側にあり、かつＴＢＣ３６に隣接している。内側部分２１、中間部分３１、および外側部分３５はそれぞれ、ＭＣｒＡｌＹコーティング２２の厚さの３分の１（すなわち、１／３）を画定している。たとえば、ＭＣｒＡｌＹコーティング２２が約６０μｍ〜約１００μｍ（たとえば、約７５μｍ〜約８５μｍ）の厚さを有する場合、内側部分２１、中間部分３１、および外側部分３５はそれぞれ、約２０μｍ〜約３３．３μｍ（たとえば、約２５μｍ〜約２８．３μｍ）の厚さを画定している。

一実施形態では、ＭＣｒＡｌＹコーティング２２は、中間部分３１の組成と比較した場合、外側部分３５のクロム濃度が比較的低く、かつ白金およびアルミニウム濃度が比較的高い状態となる組成勾配を有する。したがって、外側部分３５は良好な酸化質とＴＢＣ（またはその上の他の層）への付着性とを有する。しかしながら、中間部分３１および／または内側部分２１においてクロム濃度が上昇することにより、耐食性を向上させることができ、これは船舶用エンジンおよび工業用エンジンの用途において特に有用である。

１つの特定の実施形態では、内側部分２１のクロム含有量は、中間部分３１のクロム含有量よりも重量パーセント単位でより低い。同様に、外側部分３５のクロム含有量は、中間部分３１のクロム含有量よりも重量パーセント単位でより低い。したがって、中間部分３１のクロム含有量は、内側部分２１および／または外側部分３５のクロム含有量よりも重量パーセント単位でより高い。特定の実施形態では、一例として、外側部分３５のクロム含有量は約３重量％〜約７．５重量％であり、中間部分３１のクロム含有量は約８重量％〜約２０重量％であり、内側部分２１のクロム含有量は約５重量％〜約１２重量％である。

１つの特定の実施形態では、外側部分３５のレニウム含有量は、中間部分３１のレニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低い。同様に、中間部分３１のレニウム含有量は、内側部分２１のレニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低い。特定の実施形態では、一例として、外側部分３５のレニウム含有量は０重量％〜約０．１重量％であり、中間部分３１のレニウム含有量は約０．１重量％〜約４重量％であり、内側部分２１のレニウム含有量は約３重量％よりも高い。

１つの特定の実施形態では、外側部分３５のタンタル（Ｔａ）含有量は、中間部分３１のタンタル含有量よりも重量パーセント単位でより低い。特定の実施形態では、一例として、外側部分３５のタンタル含有量は約０．１重量％〜約２．２５重量％であり、中間部分３１のタンタル含有量は約２．５重量％〜約７．５重量％である。そのような実施形態では、内側部分２１のタンタル含有量を約３重量％〜約７．５重量％とすることができる。

１つの特定の実施形態では、外側部分３５のタングステン（Ｗ）含有量は、中間部分３１のタングステン含有量よりも重量パーセント単位でより低い。特定の実施形態では、一例として、外側部分３５のタングステン含有量は０重量％〜約０．０１５重量％であり、中間部分３１のタングステン含有量は約０．１重量％〜約１重量％であり、内側部分２１のタングステン含有量は約１．５重量％〜約６重量％である。

同様に、特定の一実施形態では、内側部分２１のハフニウム（Ｈｆ）含有量は、中間部分３１のハフニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低い。同様に、外側部分３５のハフニウム含有量は、中間部分３１のハフニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低い。したがって、中間部分３１のハフニウム含有量は、内側部分２１および／または外側部分３５のハフニウム含有量よりも重量パーセント単位でより高い。特定の実施形態では、一例として、外側部分３５のハフニウム含有量は０重量％〜約０．１重量％であり、中間部分３１のハフニウム含有量は約０．１重量％〜約０．５重量％であり、内側部分２１のハフニウム含有量は０重量％〜約０．１重量％である。

１つの特定の実施形態では、外側部分３５のニッケル含有量は、中間部分３１のニッケル含有量よりも重量パーセント単位でより高い。同様に、内側部分２１のニッケル含有量は、中間部分３１のニッケル含有量よりも重量パーセント単位でより高い。したがって、中間部分３１のニッケル含有量は、内側部分２１および／または外側部分３５のニッケル含有量よりも重量パーセント単位でより低い。特定の実施形態では、一例として、外側部分３５のニッケル含有量は約４０重量％〜約５０重量％であり、中間部分３１のニッケル含有量は約３０重量％〜約４０重量％であり、内側部分２１のニッケル含有量は約４０重量％よりも高い（たとえば、約５０重量％よりも高い）。

ノズルアセンブリの空気力学を促進するべく、たとえば約３μｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）を有する滑らかな表面仕上げとなるように、ＭＣｒＡｌＹコーティング２２を蒸着かつ加工している。一実施形態では、ＭＣｒＡｌＹコーティング２２は、好ましくは約３μｍ未満（たとえば、約１．２５μｍ〜約２．２５μｍなど、約０．７５μｍ〜約２．７５μｍの）の表面粗さ（Ｒａ）を有する。

図３はまた、ＭＣｒＡｌＹコーティング２２上に施された環境コーティング３６（たとえば、遮熱コーティング（ＴＢＣ））を示しており、これは、さらに保護が必要となる場合には特に有用である（たとえば、非常に高い温度で使用される翼形部１２の表面上など）。また、特定の実施形態では、内側バンドおよび外側バンドの表面上にこの環境コーティング３６を蒸着してもよい。一例として、全体的に１または複数のセラミック組成物から遮熱コーティング３６を構成してもよい。環境コーティング３６を任意の使用可能な技法によって施してもよいが、好ましいイットリア安定化ジルコニアコーティングを得るためには電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法が好適である。ＥＢ−ＰＶＤ加工は、ボンドコート内の元素の分布に影響を及ぼす可能性のある高温加工の後に、かつ／またはこれの前に行ってもよい。ＥＢ−ＰＶＤ加工自体は、通常高温で行われる。他のコーティング法、コーティング組成物、およびコーティング厚さを採用することも本発明の範囲内である。

ノズルアセンブリの空気力学を促進するべく、たとえば約１．５μｍ以下のＲａを有する非常に滑らかな表面仕上げとなるように、遮熱コーティング３６を蒸着かつ加工している。一実施形態では、遮熱コーティング３６は、好ましくは約３μｍ未満となる成膜直後の表面粗さ（Ｒａ）を有する。その後、環境コーティング３６の表面仕上げを改善するべく、環境コーティング３６の表面には、好ましくはピーニングおよびその後のタンブリングなどの加工を施している。ピーニングおよびタンブリングを実施した後、環境コーティング３６は、好ましくは約２．０μｍを超えないＲａとなる表面粗さを有し、ここで、典型的な範囲はベーンの凹面および前縁部上で約１．３μｍ〜約１．８μｍのＲａであり、ベーンの凸面上で約０．５μｍ〜１．０μｍのＲａである。

図２および図３に示す実施形態では、本コーティングシステムはいかなるボンドコーティングも実質的に含まない。すなわち、本コーティングシステムは、ＭＣｒＡｌＹコーティング２２と超合金部品１９の表面１３との間のボンドコーティングを含まず、またコーティングシステム１８は、ＭＣｒＡｌＹコーティング２２と遮熱コーティング３６との間のボンドコーティングを含まない。一例として、部品１９の表面１３上にＭＣｒＡｌＹコーティング２２を直接施してもよく、かつ／またはＭＣｒＡｌＹコーティング２２上に遮熱コーティング３６を直接施してもよい。

上述したように、ノズルセグメントは任意の数の翼形部（たとえば、１つ（シングレット）、２つ（ダブレット）、４つ、６つなど）を有することができる。ノズルセグメント内の翼形部の数に応じて、異なる加工方法を利用することができる。ほとんどの実施形態では、任意のコーティングを形成する前にフィルム孔を形成（たとえば、穿孔によって）してもよく、また必要に応じて任意の後続のコーティングに備えてこれらをマスク処理してもよい。

本発明は、概して比較的高い温度状態であることを特徴とする環境内で動作する構成部品、とりわけ図１Ｂに示すタイプのノズルセグメントのような、過酷な酸化と腐食とを伴う動作環境にさらされる当該部品に適用可能である。なお、図面については、以下の説明と併せて確認するときに明瞭に示されるように描いているので、縮尺を合わせることを意図していない。

また、概して構成部品（たとえば、翼形部）の表面上にコーティングを形成する方法、および翼形部の表面上のコーティングを修復する方法を提供している。図４を参照すると、構成部品の表面上にコーティングを形成するための例示的な方法５００の図が概して示されている。５０２において、構成部品の表面上にＭＣｒＡｌＹ層を蒸着する。５０４において、上述の電気めっき法などによって、ＭＣｒＡｌＹ層上に白金族金属（ＰＧＭ）層を蒸着する。５０６において、約９００℃〜約１２００℃の処理温度まで加熱するなどして、ＰＧＭ層を熱処理する。５０８において、蒸着法などによって、表面全体にアルミナイドコーティングを形成することができる。５１０において、蒸着した層を熱処理してＭＣｒＡｌＹコーティングを形成することができる。５１２において、プラズマ溶射蒸着法などによって、ＭＣｒＡｌＹコーティング上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）を形成することができる。

図５を参照すると、構成部品（たとえば、翼形部）の表面上のコーティングを修復するための例示的な方法６００の図が概して示されている。６０２において、化学的ストリッピング法（たとえば、酸ストリッピングなど）などによって、翼形部の表面からすべてのコーティングを剥離することができる。６０４において、構成部品の表面上にＭＣｒＡｌＹ層を蒸着する。６０６において、上述の電気めっき法などによって、ＭＣｒＡｌＹ層上に白金族金属（ＰＧＭ）層を蒸着する。６０８において、約９００℃〜約１２００℃の処理温度まで加熱するなどして、ＰＧＭ層を熱処理する。６１０において、蒸着法などによって、表面全体にアルミナイドコーティングを形成することができる。６１２において、蒸着した層を熱処理してＭＣｒＡｌＹコーティングを形成することができる。６１４において、プラズマ溶射蒸着法などによって、ＭＣｒＡｌＹコーティング上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）を形成することができる。このような修復プロセスを通じて、白金族金属を組み入れることによって本コーティングを改善することができる。

本発明に対するこれらおよび他の修正形態ならびに変形形態を、添付の特許請求の範囲により詳述している本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者が実施してもよい。加えて、様々な実施形態の態様を、それらの全部または一部において置き換えてもよいことが理解されるべきである。さらに、当業者であれば、前述の記載は単なる例示であり、添付の特許請求の範囲にまさに詳述している本発明を限定するものではないことを理解する。
［実施態様１］
超合金部品（１９）の表面（１３）上に施されるコーティングシステム（１８）であって、前記コーティングシステム（１８）は、前記超合金部品（１９）の表面（１３）上のＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）であって、Ｍはニッケル、鉄、コバルト、またはそれらの組み合わせであり、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）のクロム含有量は、前記超合金部品（１９）のクロム含有量よりも高く、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は白金族金属アルミナイド拡散層を含み、さらに、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）はレニウム、タンタル、またはそれらの混合物を含む、ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）を備える、コーティングシステム（１８）。
［実施態様２］
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、前記超合金部品（１９）に隣接している内側部分（２１）、前記内側部分（２１）上にある中間部分（３１）、および前記中間部分（３１）上にある外側部分（３５）を含み、前記中間部分（３１）のクロム含有量は、前記内側部分（２１）および前記外側部分（３５）のクロム含有量よりも重量パーセント単位でより高い、実施態様１に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様３］
前記外側部分（３５）のクロム含有量は約３重量％〜約７．５重量％であり、前記中間部分（３１）のクロム含有量は約８重量％〜約２０重量％であり、さらに、前記内側部分（２１）のクロム含有量は約５重量％〜約１２重量％である、実施態様２に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様４］
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、前記超合金部品（１９）に隣接している内側部分（２１）、前記内側部分（２１）上にある中間部分（３１）、および前記中間部分（３１）上にある外側部分（３５）を含み、前記外側部分（３５）のレニウム含有量は、前記中間部分（３１）のレニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低く、さらに、前記中間部分（３１）のレニウム含有量は、前記内側部分（２１）のレニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低い、実施態様１に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様５］
前記外側部分（３５）のレニウム含有量は０重量％〜約０．１重量％であり、前記中間部分（３１）のレニウム含有量は約０．１重量％〜約４重量％であり、前記内側部分（２１）のレニウム含有量は約３重量％よりも高い、実施態様４に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様６］
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、前記超合金部品（１９）に隣接している内側部分（２１）、前記内側部分（２１）上にある中間部分（３１）、および前記中間部分（３１）上にある外側部分（３５）を含み、前記外側部分（３５）のタンタル含有量は、前記中間部分（３１）のタンタル含有量よりも重量パーセント単位でより低い、実施態様１に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様７］
前記外側部分（３５）のタンタル含有量は約０．１重量％〜約２．２５重量％であり、前記中間部分（３１）のタンタル含有量は約２．５重量％〜約７．５重量％である、実施態様６に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様８］
前記内側部分（２１）のタンタル含有量を約３重量％〜約７．５重量％とすることができる、実施態様６に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様９］
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）の厚さは約１０μｍ〜約１００μｍである、実施態様１に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様１０］
前記超合金部品（１９）は、前記表面（１３）内にフィルム孔（１５）を画定している、実施態様９に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様１１］
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、約０．７５μｍ〜約２．７５μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有する外部表面（１３）を画定している、実施態様５に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様１２］
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、ＭＣｒＡｌＹ層（２０）と前記白金族金属アルミナイド層とを共拡散したものを含み、前記白金族金属アルミナイド層は白金、ロジウム、パラジウム、またはそれらの混合物からなる群より選択される白金族金属を含む、実施態様１に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様１３］
前記部品（１９）の前記表面（１３）上に前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）を直接施しており、前記コーティングシステム（１８）は、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）上に直接施される遮熱コーティング（３６）をさらに備える、実施態様１に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様１４］
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、前記超合金部品（１９）に隣接している内側部分（２１）、前記内側部分（２１）上にある中間部分（３１）、および前記中間部分（３１）上にある外側部分（３５）を含み、前記内側部分（２１）のハフニウム含有量は、前記中間部分（３１）のハフニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低く、さらに、前記外側部分（３５）のハフニウム含有量は、前記中間部分（３１）のハフニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低い、実施態様１に記載のコーティングシステム（１８）。
［実施態様１５］
超合金部品（１９）の表面（１３）上にコーティングシステム（１８）を形成する方法（５００、６００）であって、前記方法（５００、６００）は、
ＭＣｒＡｌＹ層（２０）を前記超合金部品（１９）の表面（１３）上に形成すること（５０２、６０４）であって、前記ＭＣｒＡｌＹ層（２０）のクロム含有量は、前記超合金部品（１９）のクロム含有量よりも高く、Ｍがニッケル、鉄、コバルト、またはそれらの組み合わせである、ことと、
前記ＭＣｒＡｌＹ層（２０）上に白金族金属層（３０）を形成すること（５０４、６０６）と、
前記白金族金属層（３０）を約９００℃〜約１２００℃の処理温度まで加熱すること（５０６、６０８）と、
前記白金族金属層（３０）上にアルミナイドコーティング（３４）を形成すること（５０８、６１０）とを含む、
方法（５００、６００）。
［実施態様１６］
前記コーティングシステム（１８）を加熱して前記ＭＣｒＡｌＹ層（２０）、前記白金族金属層（３０）、および前記アルミナイドコーティング（３４）からＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）を形成すること（５１０，６１２）をさらに含む、実施態様１５に記載の方法（５００、６００）。
［実施態様１７］
前記超合金部品（１９）の前記表面（１３）は、その内部に複数のフィルム孔（１５）を画定しており、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）を約１０μｍ〜約１００μｍの厚さに蒸着しながら、一方で、前記超合金部品（１９）の前記表面（１３）内に画定した前記フィルム孔（１５）を開放したままにしている、実施態様１６に記載の方法（５００、６００）。
［実施態様１８］
前記白金族金属層（３０）を形成する前の前記ＭＣｒＡｌＹ層（２０）は、約２５重量％以下のクロム、約６重量％〜約７重量％のアルミニウム、約１重量％以下のハフニウム、約０．５重量％以下のイットリウム、約８重量％〜約１２重量％のコバルト、約５重量％〜約７重量％のタンタル、約１重量％〜約３重量％のレニウム、約０．５重量％〜約１．５重量％のケイ素、約０．５重量％以下のジルコニウム、および平衡ニッケルを含む組成を有する、実施態様１５に記載の方法（５００、６００）。
［実施態様１９］
前記アルミナイドコーティング（３４）を約２５μｍ〜約１００μｍの厚さに蒸着している、実施態様１５に記載の方法（５００、６００）。
［実施態様２０］
前記アルミナイドコーティング（３４）を形成した後、ボンドコーティング上に遮熱コーティング（３６）を形成すること（５１２、６１４）をさらに含む、実施態様１５に記載の方法（５００、６００）。

５ガスタービンブレード，構成部品
６翼形部
７プラットフォーム
８アタッチメント
９開口部
１０ノズルセグメント
１２翼形部，ベーン
１３表面
１４プラットフォーム
１５フィルム孔
１６プラットフォーム
１８コーティングシステム
１９部品
２０ＭＣｒＡｌＹ層
２１内側部分
２２ＭＣｒＡｌＹコーティング
２２前縁部
２４後縁部
２６正圧面
２８負圧面
３０白金族金属層
３１白金族金属アルミナイドコーティング
３１中間部分、
３４アルミナイドコーティング
３５外側部分
３６環境コーティング，遮熱コーティング
５００コーティングを形成する方法
５０２ＭＣｒＡｌＹ層を蒸着すること
５０４白金族金属（ＰＧＭ）層を蒸着すること
５０６ＰＧＭ層を熱処理すること
５０８アルミナイドコーティングを形成すること
５１０ＭＣｒＡｌＹコーティングを形成すること
５１２遮熱コーティング（ＴＢＣ）を形成すること
６００コーティングを形成する方法
６０２コーティングを剥離すること
６０４ＭＣｒＡｌＹ層を蒸着すること
６０６白金族金属（ＰＧＭ）層を蒸着すること
６０８ＰＧＭ層を熱処理すること
６１０アルミナイドコーティングを形成すること
６１２ＭＣｒＡｌＹコーティングを形成すること
６１４遮熱コーティング（ＴＢＣ）を形成すること

Claims

超合金部品（１９）の表面（１３）上に施されるコーティングシステム（１８）であって、前記コーティングシステム（１８）は、前記超合金部品（１９）の表面（１３）上のＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）であって、Ｍはニッケル、鉄、コバルト、またはそれらの組み合わせであり、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）のクロム含有量は、前記超合金部品（１９）のクロム含有量よりも高く、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は白金族金属アルミナイド拡散層を含み、さらに、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）はレニウム、タンタル、またはそれらの混合物を含む、ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）を備える、コーティングシステム（１８）。
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、前記超合金部品（１９）に隣接している内側部分（２１）、前記内側部分（２１）上にある中間部分（３１）、および前記中間部分（３１）上にある外側部分（３５）を含み、前記中間部分（３１）のクロム含有量は、前記内側部分（２１）および前記外側部分（３５）のクロム含有量よりも重量パーセント単位でより高い、請求項１に記載のコーティングシステム（１８）。
前記外側部分（３５）のクロム含有量は約３重量％〜約７．５重量％であり、前記中間部分（３１）のクロム含有量は約８重量％〜約２０重量％であり、さらに、前記内側部分（２１）のクロム含有量は約５重量％〜約１２重量％である、請求項２に記載のコーティングシステム（１８）。
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、前記超合金部品（１９）に隣接している内側部分（２１）、前記内側部分（２１）上にある中間部分（３１）、および前記中間部分（３１）上にある外側部分（３５）を含み、前記外側部分（３５）のレニウム含有量は、前記中間部分（３１）のレニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低く、さらに、前記中間部分（３１）のレニウム含有量は、前記内側部分（２１）のレニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低い、請求項１に記載のコーティングシステム（１８）。
前記外側部分（３５）のレニウム含有量は０重量％〜約０．１重量％であり、前記中間部分（３１）のレニウム含有量は約０．１重量％〜約４重量％であり、前記内側部分（２１）のレニウム含有量は約３重量％よりも高い、請求項４に記載のコーティングシステム（１８）。
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、前記超合金部品（１９）に隣接している内側部分（２１）、前記内側部分（２１）上にある中間部分（３１）、および前記中間部分（３１）上にある外側部分（３５）を含み、前記外側部分（３５）のタンタル含有量は、前記中間部分（３１）のタンタル含有量よりも重量パーセント単位でより低い、請求項１に記載のコーティングシステム（１８）。
前記外側部分（３５）のタンタル含有量は約０．１重量％〜約２．２５重量％であり、前記中間部分（３１）のタンタル含有量は約２．５重量％〜約７．５重量％であり、前記内側部分（２１）のタンタル含有量を約３重量％〜約７．５重量％とすることができる、請求項６に記載のコーティングシステム（１８）。
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）の厚さは約１０μｍ〜約１００μｍであり、前記超合金部品（１９）は、前記表面（１３）内にフィルム孔（１５）を画定している、請求項１に記載のコーティングシステム（１８）。
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、約０．７５μｍ〜約２．７５μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有する外部表面（１３）を画定している、請求項１に記載のコーティングシステム（１８）。
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、ＭＣｒＡｌＹ層（２０）と前記白金族金属アルミナイド層とを共拡散したものを含み、前記白金族金属アルミナイド層は白金、ロジウム、パラジウム、またはそれらの混合物からなる群より選択される白金族金属を含む、請求項１に記載のコーティングシステム（１８）。
前記部品（１９）の前記表面（１３）上に前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）を直接施しており、前記コーティングシステム（１８）は、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）上に直接施される遮熱コーティング（３６）をさらに備える、請求項１に記載のコーティングシステム（１８）。
前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）は、前記超合金部品（１９）に隣接している内側部分（２１）、前記内側部分（２１）上にある中間部分（３１）、および前記中間部分（３１）上にある外側部分（３５）を含み、前記内側部分（２１）のハフニウム含有量は、前記中間部分（３１）のハフニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低く、さらに、前記外側部分（３５）のハフニウム含有量は、前記中間部分（３１）のハフニウム含有量よりも重量パーセント単位でより低い、請求項１に記載のコーティングシステム（１８）。
超合金部品（１９）の表面（１３）上にコーティングシステム（１８）を形成する方法（５００、６００）であって、前記方法（５００、６００）は、
ＭＣｒＡｌＹ層（２０）を前記超合金部品（１９）の表面（１３）上に形成すること（５０２、６０４）であって、前記ＭＣｒＡｌＹ層（２０）のクロム含有量は、前記超合金部品（１９）のクロム含有量よりも高く、Ｍがニッケル、鉄、コバルト、またはそれらの組み合わせである、ことと、
前記ＭＣｒＡｌＹ層（２０）上に白金族金属層（３０）を形成すること（５０４、６０６）と、
前記白金族金属層（３０）を約９００℃〜約１２００℃の処理温度まで加熱すること（５０６、６０８）と、
前記白金族金属層（３０）上にアルミナイドコーティング（３４）を形成すること（５０８、６１０）とを含む、
方法（５００、６００）。
前記コーティングシステム（１８）を加熱して前記ＭＣｒＡｌＹ層（２０）、前記白金族金属層（３０）、および前記アルミナイドコーティング（３４）からＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）を形成すること（５１０，６１２）をさらに含み、前記超合金部品（１９）の前記表面（１３）は、その内部に複数のフィルム孔（１５）を画定しており、前記ＭＣｒＡｌＹコーティング（２２）を約１０μｍ〜約１００μｍの厚さに蒸着しながら、一方で、前記超合金部品（１９）の前記表面（１３）内に画定した前記フィルム孔（１５）を開放したままにしており、前記白金族金属層（３０）を形成する前の前記ＭＣｒＡｌＹ層（２０）は、約２５重量％以下のクロム、約６重量％〜約７重量％のアルミニウム、約１重量％以下のハフニウム、約０．５重量％以下のイットリウム、約８重量％〜約１２重量％のコバルト、約５重量％〜約７重量％のタンタル、約１重量％〜約３重量％のレニウム、約０．５重量％〜約１．５重量％のケイ素、約０．５重量％以下のジルコニウム、および平衡ニッケルを含む組成を有する、請求項１３に記載の方法（５００、６００）。