针对Zr-4合金高温扩散连接过程中晶粒粗化与界面第二相析出导致接头性能下降的问题，本工作采用超声冲击在Zr表面制备约70 μm厚的梯度纳米结构(GNS)，以降低扩散连接温度并提升接头强度，并在740~800 ℃范围内开展扩散连接实验(30 min、10 MPa)。结果表明，梯度纳米结构由纳米晶、纳米层片及变形晶粒组成，富含高密度晶界、位错与孪晶。表面纳米晶可促进界面孔洞闭合，并有效抑制第二相的生长与聚集，使其在界面分布更均匀。同时，在连接过程中距接头界面15~100 μm的区域形成异常粗大晶粒，其最大尺寸可达基体晶粒的7.2倍。断裂行为分析表明，异常粗大晶粒并未成为裂纹源，反而通过诱导非均匀塑性变形与形成大量孪晶结构，促发额外的加工硬化效应，强化接头局部区域。GNS-Zr/GNS-Zr接头的剪切强度随着连接温度升高而增大，在800 ℃时最高达376.9 MPa，在相同连接条件下相较Zr/Zr接头提升1.2~1.6倍，且在低温下提升幅度更为显著。