Sur un plan strictement grammatical on peut envisager aussi bien l’un que l’autre.
Sur un plan sémantique, l’apport d’un simple s est très ténu car faute de compléments marquant clairement un pluriel l’esprit humain perçoit prioritairement le singulier. Non seulement la différence ne s’entend pas dans l’immense majorité des cas mais elle ne se lit parfois même pas : le ciel se teinte de gris et de roux.
Comme dans toutes les tournures de ce type, le singulier est générique et le pluriel, s’il a un intérêt quelconque, doit se marquer autrement : le ciel se teinte de nuances orange et bleues, le ciel se teinte d’un dégradé de bleus , le ciel se teinte des oranges propres à cette heure de la journée. 

Oui, ici orange et bleu sont des substantifs.
Et en effet, ainsi que vous le proposez, la marque du pluriel permet d’évoquer le camaïeu, là où le singulier indiquerait seulement la teinte.
Avec une autre formulation, on entend la différence : Les oranges et les bleus qui teintent le ciel / Le orange et le bleu qui teintent le ciel.

Personnellement, le pluriel me parait mieux rendre la subtilité du réel : les teintes célestes sont en effet nuancées.