本发明公开了一种大厚度纳米晶‑超细晶‑粗晶表面梯度层的制备方法,包括以下几个步骤在厚度大于1mm的金属板材上,先用多重速冷搅拌摩擦加工方法获得毫米级厚度的超细晶层和超细晶‑粗晶梯度层;再用高能球束均匀撞击超细晶层得到大厚度纳米晶‑超细晶‑粗晶表面梯度层。本发明所述的一种大厚度纳米晶‑超细晶‑粗晶表面梯度层的制备方法,所制备表面梯度层的结构特征是由表及里依次呈纳米晶‑变形态超细晶‑再结晶态超细晶‑变形态粗晶‑原始态粗晶多重梯度连续过渡,整个梯度层的厚度达到毫米量级且表面及内部都没有裂纹、孔洞等缺陷结构。