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本发明公开了一种粗细晶复合多层结构材料的制备装置及制备方法,步骤如下:1)空心圆柱作为制备工具,下端与制备基面保持一定间距;2)将原材料从制备工具上端孔内挤入;3)设置能场加热区加热温度;4)制备工具旋转并向下施加压力载荷,高温原材料金属粉末从制备工具下端挤出并在压力和扭矩作用下形成致密实体,制备工具平移,完成一层粗晶或细晶层的制备;5)调整参数,重复2)~4)。本发明制备方法,金属粉末材料在制备工具压力及扭矩载荷条件下能够发生剧烈塑性变形并形成致密实体,同时温度升高时能够发生动态再结晶,可实现单层晶粒尺寸的定量调控以及材料层状微观构型的定向设计与制备,从而提升粗细晶复合多层结构材料性能。