Creo que este código sirve para k=2. Se obtienen todas las posibles notas que podría haber.
     
    public class ProductoCartesiano {

	public static void main (String args []) {
		ProductoCartesiano.obtenerPC();
		
		System.out.println(ProductoCartesiano.valores);
	}
	
	
	static ArrayList<Double> valores = new ArrayList<>();

    static double array[] = {0, 2.5, 5, 7.5, 10};
    
    public static void obtenerPC () {

    	//Número de elementos del producto cartesiano homogéneo Math.pow(array.length, k);
    	
    	for(int i= 0; i<array.length;i++) {
    		for(int j=0; j<array.length; j++) {
    				double valor = array[i] + array[j];
                    if(!valores.contains(valor))
            		valores.add(valor);
    		}
    	}
    	
     }
    }



Si quieres que k sea un número diferente de 2 habría que aplicar recursividad sobre un bucle for para que hubiese tantos bucles anidados como el valor de k. Ahora mismo no sé cómo hacer eso, tendría que darle unas vueltas. Espero te sirva.

**NOTA:** He puesto en un comentario cómo calcular el número de elementos que tendría el conjunto resultante en función de los elementos del conjunto inicial y de k.