本发明公开了一种提高热疲劳性能的灰铸铁表面改性方法，旨在解决目前灰铸铁热疲劳性能改善效果不佳且工艺复杂、成本高、环境不友好的技术问题。针对现有技术中铸造灰铸铁热疲劳性能差的问题，本发明采用搅拌摩擦焊对灰铸铁进行表面改性，能够有效改善灰铸铁表层微观组织形态（粗化灰铸铁表层及亚表层石墨相尺寸，且细化珠光体片层间距，进而提高灰铸铁热疲劳裂纹萌生和扩展的门槛值），从而提高抗热疲劳性能，该方法简单、成本较低、环境污染小、节省能源，而且热影响区和应力影响区较小，保持了灰铸铁基体的力学性能和冶金性能。