搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,FSP),作为一种新型的细晶方法,虽已被证实,但尚未得到广泛地研究。因此本文采用FSP方法制备超细晶材料,采用ZL101铝合金作为试验材料。在试验开始前,进行搅拌头优化试验在同一加工参数下,有螺纹搅拌针的试验结果优于无螺纹搅拌针。并进行了低、中、高热输入下三组不同工艺FSP试验。首先,研究低、中热输入下不同工艺对FSP横截面形貌及晶粒细化的影响,分析不同工艺的作用机制。低中热输入下,随着搅拌头转速与焊速比值的升高,加工区域的形状逐渐由盆形转变为椭圆形。对比两组常规FSP的晶粒尺寸,在800rpm-200mm/min时晶粒尺寸最为细小,为3.3μm。与常规FSP相比,控冷FSP的截面面积有所减小,且控冷FSP所得的晶粒尺寸小于常规FSP。与常规FSP试验结果对比,超声FSP的截面面积有所增加,超声FSP虽然也有进一步细化晶粒的作用,但并不明显。其次,对高热输入不同工艺FSP的横截面形貌及晶粒尺寸进行研究。参数2000rpm-5mm/min时,除以上三种工艺FSP外,还进行了超声控冷复合工艺FSP试验,不同工艺FSP的横截面形貌均呈现出椭圆形。此参数下,控冷FSP及超声FSP的晶粒尺寸均小于常规FSP,而在超声控冷复合工艺FSP试验中取得晶粒尺寸的最优值,为1.6μm。分析超声在高热输入条件下,对FSP过程的作用机制,发现与低中热输入条件下作用机制有所不同,在高热输入条件下,超声波的空化作用对于晶粒细化起主导作用。最后,对不同工艺FSP试件的力学性能进行分析。在显微硬度分析中,低热输入FSP条件下,硬度值随转速的升高而升高,而中热输入FSP的硬度值大于低热输入FSP,高热输入FSP的硬度值最小。常规、控冷超声三种工艺FSP对比,超声FSP的硬度值最高,控冷FSP其次,常规FSP最低。在抗拉强度分析中,高热输入超声控冷FSP,材料的抗拉强度明显提高,平均抗拉强度为231.25MPa,比常规FSP提高60%。