本發明公開了一種材料表面改性裝置及改性方法,包括工作臺、第二機架及表面加工裝置,所述表面加工裝置包括擠壓沖頭、加熱器、填料釋放裝置及冷卻裝置;所述加熱器用于對工件表面進行加熱;所述填料釋放裝置用于向工件表面被加熱區域釋放用于材料改性的離子;所述擠壓沖頭用于對工件表面被加熱區域進行沖壓;所述冷卻裝置用于冷卻工件被加熱區域。所示方法對工件表面的待加工區域按照預處理、加熱、噴入用于材料改性的離子、沖壓、冷卻的順序處理待加工區域。本案提供的裝置和方法用于金屬材料表面改性,處理后形成的新表層在深度方向上金屬微觀結構和改性元素濃度呈梯度分布。