本发明属于涂层技术领域，尤其涉及一种烹饪器具及其制备方法。
背景技术
应用电磁加热电饭煲及电压力锅占比越来越多，由于电磁加热需要材料具有良好的导磁性，因此一般复合锅具都选用外层为430不锈钢(铁)，内层则根据情况可选择铝合金、不锈钢、钛合金等金属材质，但由于锅具使用的环境为高温高湿，同时经常移动而发生摩擦，430不锈钢(铁)耐蚀性相对较差，常常会发生腐蚀及磨损的情况，影响使用。
技术实现要素：
鉴于现有技术所存在的问题，本发明提供一种烹饪器具及其制备方法，具有耐腐蚀性能好、耐磨损性能好、电磁加热性能好、组织成分单一、热影响区和热应力小、结合力强、内部缺陷少、厚度合适和成本低等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种烹饪器具，包括基材和冷喷涂在基材外表面的钛层。
本发明的有益效果是：
本发明所述的烹饪器具，具有耐腐蚀性能好、耐磨损性能好、电磁加热性能好、组织成分单一、热影响区和热应力小、结合力强、内部缺陷少、厚度合适和成本低等优点。
基材外表面设有的钛层有利于提高耐腐蚀性能和耐磨损性能。
本发明的钛层通过冷喷涂制备，与热喷涂相比，冷喷涂因喷涂粉末受热温度显著低于热喷涂，喷涂的材料可以基本保持不发生氧化，为保证整个涂层具备良好的性能，可通过严格控制其气体的预热温度、喷枪的气压等工艺参数，可以保证其喷涂的粉末沉积速率快、沉积效率高，粉末氧化程度低，保证涂层具备组织成分单一、热影响区和热应力小、结合力强、内部缺陷少等特点。
本发明采用冷喷涂的方式，而非真空镀膜的方式，具有涂层厚度合适和成本低等优点。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述钛层的厚度为20-40微米。
采用上述进一步方案的有益效果是：
现有技术中，一般采用真空镀膜在430不锈钢(铁)表面镀钛及钛化合物膜，但这种工艺制作的膜层厚度都非常薄，仅为1.0um以下，而且设备购置成本及制造成本都较高。本发明采用冷喷涂的方式可以将钛层的厚度控制在20-40微米，该厚度范围的钛层有利于提高锅具的致密性，从而提升耐腐蚀及耐磨性能，如果厚度过高，锅具成本会很高。如果厚度过小，钛层的致密性无法保证及涂层的厚度一致性无法保证，容易导致耐腐蚀及耐磨性能下降。
进一步，所述钛层的孔隙率为0.05-0.20％。
采用上述进一步方案的有益效果是：具有高致密、结合力强、不易脱落的优点，该范围的孔隙率具有提高钛层结合力、加热能力、耐腐蚀和耐磨损能力的优点，低于这一范围，会导致工艺过程实施困难的问题；高于这一范围，会导致钛层结合力和加热功率下降的问题。
进一步，所述基材包括内层和外层，外层设置在内层的外侧，钛层设置在外层的外表面；所述内层为金属层，所述外层为具有导磁及耐腐蚀性能的涂层。
进一步，所述外层为不锈钢层。
进一步，所述外层材料为430不锈钢。
采用上述方案的有益效果是：内层的作用为提高锅具的耐蚀及耐磨性能；外层选择不锈钢尤其是430不锈钢层不仅可以实现电磁加热而且具有良好的加热效率。
进一步，所述内层选自铝合金层、不锈钢层、铜合金层和钛合金层中的一种或几种的复合。
进一步，所述外层的厚度为0.1-1.0mm。
采用上述进一步方案的有益效果是：合适的厚度有利于电磁加热和蓄热。
进一步，所述内层选自铝合金层、不锈钢层、铜合金层和钛合金层中的一种或几种的复合。
进一步，所述内层的厚度为0.5-4.0mm。
采用上述进一步方案的有益效果是：合适的厚度有利于均匀加热。
进一步，所述基材的内表面还设有不粘涂层。
采用上述进一步方案的有益效果是：提高不粘性能。
进一步，所述烹饪器具为锅具或炊具。所述锅具或炊具可以为但不限于电饭锅和电压力锅等。锅具的基材可以为单层也可以为复合层。
进一步，所述烹饪器具还包括用于对基材加热的加热组件。当基材为具有导磁性能的基材时，所述加热组件可以为电磁加热组件，例如线圈盘。当基材为无导磁性能的基材时，加热组件可以为发热盘。
本发明还提供一种上述烹饪器具的制备方法，包括以下步骤：将钛粉或钛合金粉末通过在工作气体的作用下冷喷涂在基材的外表面，使基材的外表面形成钛层。
采用上述方案的有益效果：
本发明采用冷喷涂制备钛层，与热喷涂相比，冷喷涂因喷涂粉末受热温度显著低于热喷涂，喷涂的材料可以基本保持不发生氧化，为保证整个涂层具备良好的性能，可通过严格控制其气体的预热温度、喷枪的气压等工艺参数，可以保证其喷涂的粉末沉积速率快、沉积效率高，粉末氧化程度低，保证涂层具备组织成分单一、热影响区和热应力小、结合力强、内部缺陷少等特点。
本发明采用冷喷涂的方式，而非真空镀膜的方式，具有涂层厚度合适和成本低等优点。
进一步，所述工作气体选自空气、氦气和氮气中的一种或几种的混合。
采用上述方案的有益效果是：采用上述气体有利于降低成本，同时避免上述气体与金属发生反应，避免影响涂料的性能。
进一步，冷喷涂时，喷射压力为1-3.5mpa。
采用上述方案的有益效果是：
采用上述的压力有利于形成性能良好的涂层，压力在一定范围内可以提高喷涂粒子的速度而使得到的涂层结合强度高、使孔隙率降低、涂层致密性好，但是压力超过一定值之后，压力的提高对粒子的速率影响变得很小；如果喷涂压力过小，容易导致形成的涂层较为疏松，空隙较多且涂层与基体间结合较差的问题。
进一步，冷喷涂时，喷射温度为400-600℃。
采用上述温度有利于获得较为致密的涂层，如果温度过高，会导致粒子熔化粘结在喷枪内或者堵住喷嘴，并且可能使粉末氧化进而影响涂层质量，从而影响喷涂。如果温度过低，不利于粒子的塑性变形，粒子之间的孔隙率会增加，夹杂也会增多。
进一步，工作气体的流速为1-2m3/min。即每分钟通过1-2m3的工作气体。
采用上述方案的有益效果是：合适的工作气体速度有利于获得合适的沉积速率和防止金属被氧化，如果速度过低，容易导致沉积速率低，还有可能金属被氧化；如果速度过高，容易导致气压过大，从而会导致粉末反弹反而降低沉积速率，表面涂层粗糙。
进一步，钛粉或钛合金粉末的输送量为5-15kg/h。
采用上述方案的有益效果是：合适的钛粉或钛合金粉末的输送速度有利于保证合适的涂层致密性以及合适的涂层沉积效率，如果输送速度过低容易导致涂层沉积效率低，如果输送速度过高容易导致致密性差、结合力差等问题。
进一步，喷射距离为10-50mm。
采用上述方案的有益效果是：采用上述距离有利于获得合适的沉积速率，如果距离过大，容易导致沉积速率下降，如果距离过小容易导致粉末反弹从而导致沉积速率下降。
进一步，消耗功率为15-55kw。
采用上述技术方案的有益效果是：采用上述的消耗功率，有利于对工作气体进行有效加热，热的保护气体可对粉末进行良好的预热，使其达到合适的喷涂温度，如果消耗功率过高，会导致气体温度过高，容易对喷嘴的密封圈等造成损伤问题；如果消耗功率过低，会导致保护气体的加热温度较低，粉末预热温度不足，钛层结合力较差等问题。
进一步，钛粉或钛合金粉末的粒度为1-50微米。
采用上述方案的有益效果是：采用上述的粒度有利于获得致密的涂层，如果粒度过小，粉末颗粒容易熔化粘结；如果粒度过大，颗粒塑性变形小，膜层孔隙率高。
进一步，在冷喷涂前对基材待喷涂的表面进行喷砂处理和除油脱脂处理。
采用上述进一步方案的有益效果是：有利于提高涂层与基材的结合能力。
进一步，在冷喷涂后，还包括对钛层进行抛光或车削处理。
采用上述进一步方案的有益效果是：采取上述处理有利于表面获得镜面的光滑表面，进一步提升耐腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明冷喷系统结构示意图。
图2为本发明利用冷喷工艺制作锅体的工作示意图。
图3为本发明的烹饪器具的剖视图。
图4为本发明的烹饪器具的剖视图的放大图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、高压气源、2、气体调节控制系统，3、送粉系统，4、喷枪系统，41、前气室，42、送粉口，43、高压气体入口，44、喷嘴，5、粉末回收系统，6、气体温度控制系统，7、射流，8、钛层，9、烹饪器具，10、不粘涂层，11、内层，12、外层，13、线圈盘。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图3和图4所示，一种烹饪器具，包括基材和冷喷涂在基材外表面的钛层；所述基材包括内层11和外层12，外层12设置在内层11的外侧，钛层8设置在外层12的外表面；所述内层11为金属层，所述外层12为具有导磁及耐腐蚀性能的涂层，可以为不锈钢层。
所述钛层8的厚度为20-40微米。所述钛层8的孔隙率为0.05-0.20％。
所述外层12为430不锈钢层。所述外层12的厚度为0.1-1.0mm。
所述内层11选自铝合金层、不锈钢层、铜合金层和钛合金层中的一种或几种的复合。所述内层11的厚度为0.5-4.0mm。
为了提高不粘性能，在内层11的内表面还设有不粘涂层10。
所述烹饪器具为锅具或炊具。
所述烹饪器具还包括用于对基材加热的加热组件。在具体使用时，加热组件可以为线圈盘13，用于对基材加热。
冷喷涂(cs：coldspray)，又称为气体动力喷涂技术，是指当具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后，经过强烈的塑性变形而发生沉积形成导磁涂层的方法。通常条件下，一般的概念是当固态粒子碰撞到某种基体后将产生固态粒子对基体的冲蚀作用。
在进行冷喷涂工艺时，可以采用冷喷涂系统。图1和图2示意了其中一种可以用于冷喷涂的系统。如图1所示，冷喷涂系统包括：高压气源1、气体调节控制系统2、送粉系统3、喷枪系统4、粉末回收系统5和气体温度控制系统6。所述高压气源1、气体调节控制系统2、送粉系统3、喷枪系统4和粉末回收系统5依次连接，在气体调节控制系统2和喷枪系统4之间还连接有气体温度控制系统6。
气体调节控制系统2用于调节工作气体用量和压力。送粉系统3用于将金属粉末往喷枪系统输送。喷枪系统4用于将加速后的金属粉末喷至锅体表面。气体温度控制系统6用于调节工作气体的温度。高压气源1中的工作气体，依次经气体调节控制系统2和送粉系统3，通过送粉系统3进入到喷枪系统内，在喷枪系统内工作气体与金属粉末混合后从喷枪系统的喷嘴喷出，成射流，在锅体的表面形成涂层，多余的金属粉末通过粉末回收系统5进行回收。
如图2所示，喷枪系统4包括前气室41和喷嘴44，前气室41和喷嘴44的内部连通。前气室41设有送粉口42和高压气体入口43；送粉口42与送粉系统3的送粉管道出口连接用于通入金属粉末，高压气体入口43用于通入工作气体。金属粉末在送粉管道出口处被工作气体加速到金属粒子的临界速度，经喷嘴44从喷嘴44的出口喷出，形成射流7，射流7在烹饪器具9的基材的表面形成钛层8。
本发明还提供一种上述烹饪器具的制备方法，包括以下步骤：将钛粉或钛合金粉末通过在工作气体的作用下冷喷涂在基材的外表面，使基材的外表面形成钛层。
所述工作气体选自空气、氦气和氮气中的一种或几种的混合。工作气体的流速为1-2m3/min。消耗功率为15-55kw。所述消耗功率指的是冷喷涂系统的消耗功率。
钛粉或钛合金粉末的粒度为1-50微米。钛粉或钛合金粉末的输送量为5-15kg/h。喷射距离为10-50mm。
冷喷涂时，喷射压力为1-3.5mpa，喷射温度为400-600℃。
为了进一步提高钛层与基材的结合能力，在冷喷涂前对基材待喷涂的表面进行喷砂处理和除油脱脂处理。
在冷喷涂后，还包括对钛层进行抛光或车削处理。
本发明所述的复合锅具及其制作方法，既具有良好的电磁加热性能，同时具有优异的耐腐蚀及耐磨损的性能。
冷喷涂的工艺参数主要包括工作气体、喷射压力、喷射温度、送粉速率、喷射距离、粉末粒径等。这些工艺参数对其涂层与基体的结合力、涂层成分单一性和组织均匀性、结构致密性、表面粗糙度等均有显著影响。
本发明提供的锅具或炊具冷喷涂制备磁性涂层的工艺，通过严格控制冷喷涂技术的工艺参数，如喷射温度、喷涂压力、喷射距离、材料粒径等，可以在非磁性(如铝合金)或弱磁性材质(如304不锈钢)锅具外表底部喷涂一层力学和物理性能优良的导磁性涂层，保证锅具良好的电磁加热效果。
下面通过一些具体的实施例来进行介绍。
实施例1
一种制备复合锅具的方法，包括以下步骤：
(1)基材预处理：
可选择(或不选择)对锅具或炊具基材待喷涂表面进行喷砂处理。对锅具外表面的油污等杂质进行除油脱脂(如氢氧化钠溶液)等处理；
(2)高压冷喷涂制备钛层：
采用冷喷涂将钛等细微粉末，在高速气流的辅助下以较高的动能高速喷向待喷涂锅具。通过严格控制冷喷涂的工艺参数，制备一层一定厚度的钛及钛合金涂层。
冷喷涂制备钛层的具体工艺参数为：
工作气体：空气、氦气、氮气或混合气体等；
喷射压力1.0mpa；
喷射温度400℃；
工作气体流速1.0m3/min；
粉末输送量5kg/h；
喷射距离10mm；
消耗功率15kw；
粉末粒度10-20μm；
(3)抛光或者车削处理。
(4)最终，钛层厚度控制在20um。
通过上述方法制备的复合锅具，由外到内依次为：钛层20um/430不锈钢层0.1mm/铝合金层2.0mm/不粘涂层30um。
通过上述方法制备的复合锅具加热性能优良及耐腐蚀性能优良，电学性能稳定。
实施例2
一种制备复合锅具的方法，包括以下步骤：
(1)基材预处理：
可选择(或不选择)对锅具或炊具基材待喷涂表面进行喷砂处理。对锅具外表面的油污等杂质进行除油脱脂(如氢氧化钠溶液)等处理；
(2)高压冷喷涂制备钛层：
采用冷喷涂将钛等细微粉末，在高速气流的辅助下以较高的动能高速喷向待喷涂锅具。通过严格控制喷涂的工艺参数，制备一层一定厚度的钛及钛合金涂层。
冷喷涂制备钛层的具体工艺参数为：
工作气体：空气、氦气、氮气或混合气体等；
喷射压力2.3mpa；
喷射温度500℃；
工作气体流速1.5m3/min；
粉末输送量10kg/h；
喷射距离20mm；
消耗功率30kw；
粉末粒度20-30μm；
(3)抛光或者车削处理。
(4)最终，钛层厚度控制在25um。
通过上述方法制备的复合锅具，由外到内依次为:钛层25um/430不锈钢0.3mm/304不锈钢2.0mm。
通过上述方法制备的复合锅具加热性能优良及耐腐蚀性能优良，电学性能稳定。
实施例3
一种制备复合锅具的方法，包括以下步骤：
(1)基材预处理：
可选择(或不选择)对锅具或炊具基材待喷涂表面进行喷砂处理。对锅具外表面的油污等杂质进行除油脱脂(如氢氧化钠溶液)等处理。
(2)高压冷喷涂制备钛层：
采用冷喷涂将钛等细微粉末，在高速气流的辅助下以较高的动能高速喷向待喷涂锅具。通过严格控制喷涂的工艺参数，制备一层一定厚度的钛及钛合金涂层。
冷喷涂制备钛层的具体工艺参数为：
工作气体：空气、氦气、氮气或混合气体等；
喷射压力3.5mpa；
喷射温度600℃；
工作气体流速2.0m3/min；
粉末输送量15kg/h；
喷射距离40mm；
消耗功率55kw；
粉末粒度30-40μm；
(3)抛光或者车削处理，钛层厚度控制在30um。
通过上述方法制备的复合锅具，由外到内依次为:钛层30um/430不锈钢层0.3mm/铜合金层1.0mm/304不锈钢层2.0mm。
通过上述方法制备的复合锅具加热性能优良及耐腐蚀性能优良，电学性能稳定。
实施例4
一种制备复合锅具的方法，包括以下步骤：
(1)基材预处理：
可选择(或不选择)对锅具或炊具基材待喷涂表面进行喷砂处理。对锅具外表面的油污等杂质进行除油脱脂(如氢氧化钠溶液)等处理。
(2)高压冷喷涂制备钛层：
采用冷喷涂将钛等细微粉末，在高速气流的辅助下以较高的动能高速喷向待喷涂锅具。通过严格控制喷涂的工艺参数，制备一层一定厚度的钛及钛合金涂层。
冷喷涂制备钛层的具体工艺参数为：
工作气体：空气、氦气、氮气或混合气体等；
喷射压力3.5mpa；
喷射温度600℃；
工作气体流速2.0m3/min；
粉末输送量15kg/h；
喷射距离50mm；
消耗功率55kw；
粉末粒度40-50μm；
(3)抛光或者车削处理，钛层厚度控制在40um。
制备的复合锅具
通过上述方法制备的复合锅具，由外到内依次为：钛层40um/430不锈钢层0.3mm/铜合金层1.0mm/铝合金2.0mm。
通过上述方法制备的复合锅具加热性能优良及耐腐蚀性能优良，电学性能稳定。
实施例5
一种制备复合锅具的方法，包括以下步骤：
(1)基材预处理：
可选择(或不选择)对锅具或炊具基材待喷涂表面进行喷砂处理。对锅具外表面的油污等杂质进行除油脱脂(如氢氧化钠溶液)等处理。
(2)高压冷喷涂制备钛层：
采用冷喷涂将钛等细微粉末，在高速气流的辅助下以较高的动能高速喷向待喷涂锅具。通过严格控制喷涂的工艺参数，制备一层一定厚度的钛及钛合金涂层。
冷喷涂制备钛层的具体工艺参数为：
工作气体：空气、氦气、氮气或混合气体等；
喷射压力3.5mpa；
喷射温度600℃；
工作气体流速2.0m3/min；
粉末输送量15kg/h；
喷射距离30mm；
消耗功率15kw；
粉末粒度40-50μm；
(3)抛光或者车削处理，钛层厚度控制在15um。
通过上述方法制备的复合锅具，由外到内依次为：钛层15um/430不锈钢层0.3mm/铜合金层1.0mm/304不锈钢层2.0mm。
通过上述方法制备的复合锅具加热性能优良及耐腐蚀性能优良，电学性能稳定。
实施例1至实施例5制得的锅具可以作为电饭锅的内锅。实施例1至实施例5的性能如表1所示。
表1
中性盐雾实验具体操作方法可以参照国家标准:gb/t2423.17-93中性盐雾试验标准(nss)。其中表1中的h为小时的简写。
能效等级根据gb12021.6-2008自动电饭锅能效限定值及能效等级。对于金属内锅类自动电饭锅，其能效限定值为能效等级的4级。1级到4级都符合标准，其中1级最好。
从以上数据可以看出，本发明制备的锅具具有加热性能、耐腐蚀性能，且具有电学性能稳定的优点。
目前采用真空镀膜和采用热喷涂工艺做的锅具，为在430不锈钢的表面镀膜tin，tin的厚度一般为0.2-1.0um，中性盐雾的检测结果仅能通过24h。实施例1至实施例5的中性盐雾的检测结果均能通过48h，其性能均显著优于现有方法制备的锅具。其中，本发明实施例1-4制备的锅具中性盐雾实验可以通过96h，其性能出人意料的优于现有方法制备的锅具。实施例5由于钛层比实施例1-4的钛层的厚度薄一些，所以中性盐雾的检测结果的时间短一些，但也明显由于现有技术中的锅具的性能。
发明人在实施例1的基础上调整了钛粉末粒度为1-10微米，430不锈钢的厚度为1.0mm，铝合金的厚度为4.0mm，其余均与实施例1相同，也能够得到与实施例1类似的结论。
发明人在实施例1的基础上，分别设定了不同的钛层厚度，其余均与实施例1相同。钛层的厚度分别为5微米、10微米、15微米、25微米、30微米、35微米、40微米、45微米和50微米，通过研究发现，钛层的厚度设置在20-40微米性能最好，如果低于20微米，耐腐蚀性能下降，容易出现盐雾测试结果不通过的问题；如果高于40微米，成本增加。
发明人在实施例1的基础上，分别设定了不同的喷射压力，其余均与实施例1相同。喷射压力分别为0.5mpa、0.8mpa、1.5mpa、2mpa、2.5mpa、3mpa、3.5mpa、4mpa和4.5mpa，通过研究发现，喷射压力设置在1-3.5mpa制备的锅具性能最好，如果低于1mpa，涂层的致密性及沉积速率下降，涂层的耐腐蚀性会下降；如果高于3.5mpa，涂层的致密性及附着力下降，容易出现涂层不能通过冷热冲击及耐腐蚀性下降的问题。
发明人在实施例1的基础上，分别设定了不同的喷射温度，其余均与实施例1相同。喷射温度分别为300℃、350℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃和750℃，通过研究发现，喷射温度设置在400-600℃制备的锅具性能最好，如果低于400℃，涂层的致密性及附着力性能下降，容易出现耐腐蚀性能下降及冷热冲击不过的问题；如果高于600℃，涂层易出现氧化的现象，涂层耐腐蚀性能下降。
发明人在研究过程中也进行了大量的关于工作气体速度、粉末输送速度、喷射距离、消耗功率和粉末粒度等参数的筛选实验，经过研究发现，采用“喷射压力1-3.5mpa；喷射温度400-600℃；工作气体流速1-2m3/min；粉末输送量5-15kg/h；喷射距离10-50mm；消耗功率15-55kw；粉末粒度1-50μm”的参数范围最合适，有利于提高锅具的加热性能、耐腐蚀性能，且具有电学性能稳定的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。