稀土镁合金因其密度小、强度高、耐热性能和抗蠕变性能优异等特点,成为最具前景的结构减重和承载功能一体化合金。含长周期堆垛有序结构相（LPSO）的Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土镁合金因出色的力学性能受到了研究者们的广泛关注。然而,Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中通常存在粗大的晶粒和第二相,限制了其加工成形性和工业应用。搅拌摩擦加工（Friction stir processing,FSP）作为一种新型剧烈塑性变形技术,可同时实现组织细化、均匀化和致密化,在制备强塑性优异的细晶材料方面具有较大潜力。特别地,利用冷却介质辅助FSP可获得更细小的晶粒。此外,利用多道次搅拌摩擦加工（Multi-pass friction stir processing,MFSP）还可制备大面积细晶金属板材。因此,本研究以锻造态Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金作为研究对象,空气中/水下单道次FSP和MFSP为加工方法,分别研究了材料在不同冷却介质辅助FSP过程中的微观组织及力学性能,MFSP制备的大面积细晶板材的组织性能均匀性,以及FSP试样的高温超塑性变形行为。以期为FSP制备具有应用潜力的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金提供新思路,为稀土镁合金的组织优化提供理论基础。首先,对空气中及水下单道次FSP试样进行微观组织表征和力学性能测试。结果表明,空气和水下FSP试样的平均晶粒尺寸分别为4μm和2μm。两种试样的大角度晶界比例提高,织构显著弱化。测温曲线表明:空气中和水下FSP试样的持续热输入时间和冷却速率分别为49 s、23 s和8.5℃/s、30.7℃/s。由于水下FSP较低的热输入对再结晶过程产生影响,试样组织中亚结构比例高于空气中FSP试样。同时,水下FSP试样存在着更多均匀分布的LPSO相。相比于锻造态母材,空气中和水下FSP试样屈服强度和抗拉强度分别提高30.5%、12.7%和56.8、24.8%。两种试样延伸率均无明显降低且无力学性能各向异性。水下FSP热输入较低,因此该试样晶粒和LPSO相更细小,组织中亚结构更多,材料强度更高。其次,本文首次采用MFSP技术成功制备出具有强塑性优异且性能均匀的大面积Mg-Gd-Y-Zn-Zr细晶镁合金板材。研究结果表明,MFSP后,加工区（PZ）晶粒细化至3μm,相邻道次界面区（IZ）晶粒细化至4μm。母材中粗大的LPSO相被破碎成片状和针棒状。层错和管扩散促使IZ区18R LPSO相转变为针棒状14H LPSO相。MFSP制备的大面积镁合金板材屈服强度为305 MPa,抗拉强度为367 MPa,延伸率为18.0%。强化机制主要为细晶强化和LPSO相强化。其中,IZ区14H LPSO相的强化作用弥补了细晶强化的不足,使其拉伸性能略高于PZ区,打破了IZ区是MFSP制备的大面积细晶板材力学性能薄弱区这一传统共识。最后,对FSP试样在不同变形温度和应变速率下进行了高温拉伸测试。由于细晶组织和良好的组织热稳定性,在所有变形条件下FSP试样延伸率均大于400%。特别地,在400℃和5×10-3 s-1变形条件下获得了最大的延伸率（1341%）,在400℃和1×10-2 s-1变形条件下获得了最优的高应变速率超塑性（824%）。超塑性变形机制主要为晶界滑移。此外,18R LPSO相的变形协调了组织的应变相容性。超塑性变形后,18R LPSO相呈椭圆状且长轴平行于应变方向。针棒状14H LPSO相阻碍了超塑性变形过程中的晶粒粗化,在高温变形过程中使组织保留着细晶特征。当温度升高至430℃时,14H LPSO相发生固溶,在较高变形温度和缺少第二相阻碍晶粒长大的情况下,晶粒迅速粗化。