The　capability　to　join　molybdenum　(Mo)　and　titanium　(Ti)　is　of　great　interest　for　applications　in　aerospace　and　nuclear　energy　fields.　Despite　the　importance,　no　effective　methods　have　been　developed　to　avoid　the　embrittlement　problem　of　heat　affected　zone　(HAZ)　on　the　side　of　molybdenum　plate　to　produce　high　strength　joints.　In　this　study,　by　adding　zirconium　(Zr)　to　the　molten　pool,　ultimate　tensile　strength　(UTS)　of　the　joints　were　increased　from　about　350　MPa　to　about　470　MPa　which　reached　more　than　90%　of　that　of　the　Ti　base　metal　(BM).　During　this　process,　an　ultra-fast　diffusion　behavior　of　Zr　in　HAZ　on　the　side　of　a　Mo　plate　(HAZMo)　was　observed.　Electron　back-scatter　diffraction　(EBSD)　analysis　revealed　that　diffusion　distance　of　Zr　in　HAZMo　was　up　to　0.75　mm,　which　was　confirmed　by　the　ZrO2　particles　presented　at　both　grain　boundaries　(GB)　and　the　interior　of　the　grains　in　HAZMo.　Formation　of　ZrO2　particles　not　only　inhibited　the　growth　of　recrystallised　grains　in　HAZMo　but　also　suppressed　the　precipitation　of　volatile　MoO2　at　GBs　in　HAZMo.　These　results　highlight　the　possibilities　for　strengthening　HAZ　of　refractory　metals　with　intrinsic　brittleness　through　fusion　zone　alloying.　©　2018　Elsevier　B.V.